建筑工人已经完成了国际深层地下中微子实验所用巨大洞穴的挖掘工作。工程师和技术人员正准备将巨型中微子探测器安装到地下一英里的洞穴中，而世界各地的科学家则正在努力优化DUNE的粒子探测器技术。

从新的光子探测系统到改进的探测器设计，研究人员正在改进设备和技术，以使DUNE的中微子探测器——液氩时间投影室——能够实现最精确的中微子测量。

DUNE低温恒温器内的液态氩的纯度也可能得到提升，这对于观察液体中中微子相互作用产生的粒子和光至关重要。巴西的一个跨学科研究小组发现，一种通常用于工业应用的过滤介质可以过滤掉液态氩中的氮污染。未来的大规模测试将有助于确定这种有前途的方法是否适用于DUNE。

“我们一开始的目标是找到一种能够更有效地捕获氧气和水的新材料，”首席研究员、坎皮纳斯-圣保罗大学“GlebWataghin”物理研究所物理学教授PascoalPagliuso说道。“我们决定也尝试找到一种捕获氮的方法。我们成功了。”

中微子是宇宙中最丰富的物质粒子，但它们很难被探测到。为了使DUNE科学家能够观察到一些飞过他们巨大的粒子探测器的中微子，中微子必须与某种东西相互作用。

在美国能源部费米国家加速器实验室主持的DUNE项目中，中微子将与氩原子发生碰撞。该过程会产生次级粒子，这些粒子会撞击出松散的电子并发出短暂的闪烁光。

仪器可以记录电子和光，这样科学家就可以识别和重建碰撞产生的粒子和轨迹。然而，为了进行这种测量，粒子需要有一条清晰、畅通的路径穿过液态氩，一直到检测装置。特别是，液态氩必须是超纯的，并且几乎不含其他可能吸收电子或光的元素的原子。

棘手的挑战

研究人员和工程师通过过滤掉水和氧气等污染物来确保探测器中的液态氩尽可能纯净。这是两种最常见的杂质。然而，还有第三种常见的污染物：氮。虽然中微子研究人员有成熟的方法来过滤掉水和氧气，但将氮含量降低到商业供应商提供的水平以下一直是一个挑战。

氮会对实验结果产生重大影响——即使液氩中仅存在百万分之一的氮，也会导致高达20%的闪烁光损失。对于像DUNE这样的雄心勃勃的实验，确保所有探测器组件和材料的质量以产生最佳结果对于进一步了解中微子及其在亚原子世界中的作用至关重要。

费米实验室目前使用分子筛和铜材料分别过滤水和氧气，但都无法从液氩中捕获氮。

在Pagliuso的带领下，巴西的研究人员发现了一种降低液氩中氮污染水平的方法。他带领的跨学科物理学家和工程师团队发现了一种可以同时去除氮和水的材料。

该介质与费米实验室使用的铜材料等过滤介质相结合，可以去除三种最常见的液氩污染物，确保中微子实验所需的氩气尽可能纯净。

这种材料被称为锂-FAU，是一种八面沸石LiX。这种铝硅酸盐材料在石油精炼和空气净化方面具有工业应用。巴西团队发现它还能够通过吸附从液氩中去除氮。“这就像当你有一种治疗一种疾病的药物时，却发现它也对另一种疾病有效，”Pagliuso说。

当沸石用作吸附剂来精炼或净化液体和气体时，它们会吸引粘附在其表面的特定颗粒，同时允许其他颗粒穿过晶体结构。将硅胶包放入新鞋中以吸收水分时，就适用这一概念：水会粘附在硅胶珠子的表面，这样湿气就不会损坏鞋子。

在这种情况下，氮分子与沸石中带正电的离子相互作用;锂分子的尺寸足够小，为捕获氮和使液态氩自由流动留出空间。

坎普大学研究团队的化学工程分支开发了模拟程序来预测氮如何被Li-FAU吸附，为DUNE实验者提供了必要的框架来测试该介质在低温恒温器中液氩的特定环境中的表现。

“预测过滤器的行为对于确定过滤器的容量非常重要，”坎普大学化学工程学院教授兼院长DirceuNoriler说道。“我们通过指定达到所需纯度所需的饱和时间和循环次数来帮助工程师设计过滤器。”

成功的测试

研究人员和工程师最初在坎普大学相对较小的液态氩纯化低温恒温器中用大约90升液态氩测试了该介质。他们的成功结果与Noriler及其团队开发的模拟结果相符。

去年秋天，在费米实验室Noble液体测试设施的3,000升ICEBERG测试台上进行了进一步测试，该测试台为这次特殊测试注入了2,625升液态氩。结果证实了Li-FAU能够大规模从液态氩中去除氮。

“费米实验室的Noble液体测试设施支持各种液氩探测器的研发，我们对结果非常满意。我们打算尽快将Li-FAU添加到该设施中，这样除了DUNE之外，所有致力于改进光收集系统的项目都可以受益，”费米实验室研发协调员兼测试设施经理FlordeMaríaBlaszczyk表示。

净化介质不仅可以提高费米实验室用于实验的液态氩的质量，而且如果由于设备故障而意外将空气引入低温恒温器，它还可以去除氮污染物。氮是空气中最丰富的元素，因此知道如何过滤掉氮对于确保DUNE和其他实验不会受到影响至关重要。

下一步是扩大测试规模，使用更大体积的液态氩，以确保介质性能与目前一样好。科学家希望，这种方法最终能够达到DUNE所需的大规模氮去除效果，DUNE将配备每个包含17,500吨液态氩的探测器模块。

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