Các nhà khoa học tại Mỹ đang nỗ lực giải quyết một thách thức kỹ thuật khổng lồ: chế tạo những thùng chứa siêu lạnh khổng lồ để đựng argon lỏng cho một thí nghiệm vật lý trọng điểm. Thử thách đặt ra là phải chứa hơn 15.000 tấn argon lỏng ở nhiệt độ -186 độ C.

Thí nghiệm quan trọng

Nỗ lực này là một phần của Thí nghiệm Neutrino dưới lòng đất sâu (Deep Underground Neutrino Experiment), một thí nghiệm có thật với các máy dò sẽ được nhúng trong những bể chứa khổng lồ chứa argon lỏng đông lạnh, theo hướng ngược lại - đi xuống. Argon lỏng là một loại khí hiếm không mùi, không màu nặng hơn không khí, chiếm khoảng 1% bầu khí quyển Trái Đất.

“Bằng cách đặt các máy dò DUNE dưới lòng đất ở Nam Dakota, chúng sẽ giảm đáng kể lượng bức xạ nền vũ trụ,” Vincent Basque, nhà nghiên cứu của Fermilab, cho biết.

“Điều này cho phép chúng ta nghiên cứu các neutrino được gửi đi từ chùm tia Fermilab ở Illinois với độ chính xác cao, phát hiện các neutrino từ các nguồn vật lý thiên văn như mặt trời hoặc một siêu tân tinh gần đó, và tìm kiếm các quá trình cực kỳ hiếm gặp khác.”

Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng DUNE là thí nghiệm nhạy cảm nhất từng được hình thành để tìm hiểu về nguồn gốc của vũ trụ từ các đặc tính của neutrino, những hạt đầu tiên được phát ra từ Vụ nổ lớn. 

Thí nghiệm cần phải bảo vệ các máy dò hạt của nó khỏi các tia vũ trụ liên tục truyền qua không gian và bắn phá Trái đất, nếu không chúng sẽ lấn át và che khuất các tín hiệu tương đối yếu mà thí nghiệm hướng đến thu nhận. Vì vậy, các nhà nghiên cứu DUNE sẽ xây dựng và vận hành các máy dò này tại Cơ sở Nghiên cứu Dưới lòng đất Sanford ở Lead, Nam Dakota, bên dưới lớp đất dày một dặm, nơi sẽ hấp thụ hầu hết các tia vũ trụ.

Nhóm nghiên cứu hiện đang chuẩn bị lắp đặt hai mô-đun dò đa kiloton này bằng cách sử dụng các biến thể của công nghệ buồng chiếu thời gian argon lỏng (LArTPC). Các đối tác quốc tế hy vọng sẽ đóng góp thêm hai mô-đun nữa trong những năm tới. Mỗi mô-đun sẽ được đặt trong một thùng chứa cách nhiệt gọi là cryostat có kích thước khoảng 14.158 mét khối - xấp xỉ thể tích của năm bể bơi Olympic. 

5.000 mảnh ghép riêng lẻ

Thay vì có sẵn tại các cửa hàng vật liệu xây dựng địa phương, CERN đã ký hợp đồng với GTT, một công ty chuyên thiết kế các thiết bị làm lạnh để vận chuyển khí thiên nhiên hóa lỏng, để thiết kế các thiết bị làm lạnh này. GTT đã thiết kế các thiết bị làm lạnh nhỏ hơn cho các thí nghiệm của CERN từ năm 2007. CERN, trung tâm nghiên cứu hạt nhân lớn nhất châu Âu đang hợp tác trong dự án DUNE, đang đóng góp các thiết bị làm lạnh cho thí nghiệm.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi thực hiện một dự án lớn như thế này,” Lluís Miralles Verge, trưởng nhóm dự án hệ thống làm lạnh của thí nghiệm tại CERN, cho biết. “Các thiết bị DUNE LArTPC sẽ được lắp đặt trong các hang động chỉ có thể tiếp cận được thông qua một đường hầm sâu. Để làm được điều này, chúng tôi cần có kế hoạch thiết kế và hậu cần chi tiết và chính xác.”

Nhóm nghiên cứu tiết lộ rằng để đạt được khả năng chứa chất lỏng và hơi kín hoàn toàn, ngoài lớp cách nhiệt và giá đỡ thích hợp, các bình chứa lạnh DUNE được cấu tạo từ nhiều lớp. 

Thiết kế đã được kiểm chứng của GTT thuộc kiểu thiết bị làm lạnh màng, do lớp trong cùng tạo thành một lớp màng để chứa chất làm lạnh lỏng. Tất cả sẽ được vận chuyển xuống giếng theo từng mảnh và được lắp ráp trong khoang chứa máy dò, bắt đầu từ cấu trúc bên ngoài. Việc hoàn thiện các phần bên trong của thiết bị làm lạnh DUNE đòi hỏi hơn 5.000 mảnh ghép riêng lẻ.

“Các nguyên mẫu DUNE tại CERN vô cùng quý giá,” David Montanari, quản lý dự án hệ thống làm lạnh của DUNE, cho biết. “Chúng đã chứng minh rằng các thành phần cảm biến, bình chứa chất làm lạnh và hệ thống làm lạnh hoạt động cùng nhau một cách chính xác, giúp chúng tôi tự tin rằng hệ thống làm lạnh của máy dò xa DUNE sẽ hoạt động trơn tru.”