Udvinding af signaler fra undvigende partikler fra gigantiske kamre fyldt med flydende argon

Neutrinoer er subtile subatomære partikler, som videnskabsmænd mener spiller en nøglerolle i udviklingen af ​​vores univers. De strømmer kontinuerligt fra nukleare reaktioner i vores sol og andre stjerner, men passerer gennem næsten alt - selv vores kroppe og Jorden selv - uden at efterlade et spor. Forskere, der ønsker at studere disse ejendommelige, letvægtspartikler skal bygge ekstremt følsomme detektorer.

En revolutionerende ny slags neutrino detektor, designet til dels af forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, sidder i hjertet af MicroBooNE-eksperimentet på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). I to nye aviser, MicroBooNE-samarbejdet beskriver, hvordan de bruger denne detektor til at opfange de afslørende tegn på neutrinoer. Papirerne indeholder detaljer om signalbehandlingsalgoritmerne, der er afgørende for nøjagtigt at rekonstruere neutrinoers subtile interaktioner med atomer i detektoren.

Ifølge fysiker Xin Qian, leder af Brookhaven Labs MicroBooNE fysikgruppe, "Det arbejde, der er opsummeret i disse papirer, som omfatter sammenligninger af nyligt indsamlede eksperimentelle data med simuleringer af detektorsignaler og støj, demonstrerer en fremragende forståelse af MicroBooNEs millimeteropløsningsdetektorydelse. Denne forståelse giver et solidt grundlag for at bruge denne detektorteknologi til præcisionsfysiske målinger, ikke kun i MicroBooNE, men også i fremtidige eksperimenter, såsom Deep Underground Neutrino Experiment."

Dynamisk detektor

Den centrale del af MicroBooNE-detektoren er et flydende-argon-tidsprojektionskammer (LArTPC) - en busstørrelsestank fyldt med argon (holdes væske ved en bidende -303 grader Fahrenheit) og foret med elektronik designet til at fungere i det ekstremt kolde miljø . Denne samling fungerer som et kraftfuldt tomografisk 3-D digitalkamera til at fange banerne for partikler, der genereres, når neutrinoer interagerer med argonatomer i tanken.

neutrinoerne, som kommer i tre "smag" (elektron, muon, og tau), stammer fra en protonaccelerator hos Fermilab. For det meste sejler de videre gennem detektoren. Men af ​​og til, en neutrino rammer en argonkerne i LArTPC. Denne interaktion producerer en række andre partikler, hvoraf nogle bærer elektrisk ladning. Når disse ladede partikler glider gennem tanken, de ioniserer, eller sparke elektroner af, andre argon atomer på deres vej. De fordrevne elektroner bliver fanget i det kraftige elektriske felt, der omgiver tanken og driver mod en række ledninger, der er pænt arrangeret i tre forskelligt orienterede planer i den ene ende - anoden. Elektronik inde i tanken opsamler og forstærker signaler genereret af elektroner, der rammer ledningerne og sender disse signaler ud for at blive optaget. Ved at spore timingen og placeringen af ​​disse signaler, Detektoren kan konstruere billeder af elektronernes baner for at afsløre information om energien og smagen af ​​neutrinoen, der udløste hver kæde af begivenheder.

"At udfolde ioniseringssignalet ved anodeplanet er analogt med at behandle fotografisk film i et mørkt rum, bortset fra i stedet for kemiske midler og opløsninger anvender fysikere signalbehandlingsalgoritmer til at rekonstruere billedet af neutrinointeraktionen, " sagde Brooke Russell, en Yale University kandidatstuderende i øjeblikket udstationeret på Brookhaven Lab.

Signalbehandling

Men ligesom det er vigtigt at få kemien rigtigt, når man behandler film, neutrino-tracking videnskabsmænd står over for udfordringer med at udvikle deres algoritmer.

For én ting, strømmene induceret af drivende ioniseringselektroner er generelt små i størrelse og kan reduceres yderligere, hvis elektronerne ankommer til ledningerne over en længere periode. Ud over, "bølgeformen" af strøm, der produceres af et sæt drivende elektroner, kan blive udlignet af et andet sæt elektroner, der ankommer senere - som havbølger, der bliver fladet ud, når de høje toppe af en bølge er på linje med de lave punkter på en anden. Dette gør det særligt vanskeligt at skelne de bittesmå signaler fra baggrundsstøj - elektroniske forvrængninger genereret af overskydende ladning lagret på de ledninger, der bruges til at bære signalerne, de eksterne strømforsyninger, der genererer detektorens elektriske felt, eller andre kilder.

At holde noget af elektronikken inde i flydende argon-kammeret hjælper med at minimere støj ved at reducere den afstand, signaler skal tilbagelægge, før de udlæses. Som Brookhaven Labs postdoc-forsker Brian Kirby bemærkede, denne støjsvage "kolde elektronik, "designet af Brookhaven's Instrumentation Division, er en afgørende teknologi for store LArTPC'er. "De forenkler detektordesignet og giver den elektroniske støjydelse, der kræves for at gøre fuld brug af induktionstrådplanssignaler, " han sagde.

En anden udfordring er, at drivende elektroner kan inducere strøm over en flade af flere nærliggende ledninger, introducerer muligheden for, at bølgeformen produceret af elektroner, der passerer en bestemt ledning, kan annullere en bølgeform, der produceres af elektroner, der passerer en nærliggende ledning. Disse annulleringer afhænger af fordelingen af ​​ioniseringselektroner, fører til meget komplekse signaler.

For at løse denne udfordring, MicroBooNE-samarbejdet udviklede en ny algoritme til at udtrække fordelingen af ​​elektroner fra den målte inducerede strøm på ledningerne. Grundlaget for algoritmen er en matematisk teknik kaldet dekonvolution, hvilket i høj grad forenklede "signalet" ved at fjerne det meget komplekse induktionsrespons fra det flydende argonkammer, så videnskabsmænd kan udtrække placeringen og fordelingen af ​​elektroner, der ankommer til ledningsplanerne.

Denne dekonvolution udføres i to dimensioner (2-D). Ifølge Brookhaven postdoc-forsker Hanyu Wei, det første 'D' er en almindelig matematisk analyse af bølgeformen over tid, og det andet 'D' tager højde for langrækkende virkning af induktionssignalerne over flere ledninger. Ved at identificere specifikke "interesseområder" i signalet, forskerne kan også afbøde forstørrelsen af ​​lavfrekvent støj fra deconvolution-teknikken.

MicroBooNE er den første detektor, der er i stand til at matche antallet af detekterede elektroner på tværs af de tre ledningsplaner i en LArTPC.

"Da de samme klynger af drivende elektroner detekteres af hvert af ledningsplanerne, du ville forvente at måle den samme mængde ladning fra hvert fly, sagde Michael Mooney, en tidligere Brookhaven Lab postdoktoral forskningsmedarbejder, som nu er et nyt fakultetsmedlem ved Colorado State University. Men på grund af kompleksiteten af ​​signalerne i induktionstrådsplanerne, ingen tidligere LArTPC-detektor har været i stand til at gøre dette.

"Vores datadrevne demonstration af, at lokal krydsplansmatchning af ladning er mulig i en LArTPC, åbner døre til nye typer rekonstruktionsteknikker, der først sigter mod at skabe et 3-D billede af neutrino-argon-interaktionen - og kunne i høj grad forbedre vores evner at præcist bestemme neutrinoens egenskaber, " sagde Mooney.

Simuleringer vs. data

MicroBooNE-teamet udviklede også væsentligt forbedrede simuleringer af forventede TPC-signaler og støj – under hensyntagen til den førnævnte langrækkende induktionseffekt og den nøjagtige drivende elektrons position inden for en ledningsregion – og brugte disse nye simuleringer til kvantitativt at evaluere deres signalbehandlingsalgoritme. Sammenligning af simuleringer med resultater udtrukket fra rigtige data gav konsistente resultater, hvilket er et afgørende skridt hen imod at bruge detektoren til fysikstudier.

"Konsistensen mellem den nye simulering og dataene giver os tillid til, at vi forstår vores detektor på det grundlæggende niveau, som er afgørende for kommende fysikanalyser i MicroBooNE, " sagde Brookhaven Lab-fysiker Chao Zhang.

Brookhaven Lab-fysiker Brett Viren bemærkede, "Evnen til at levere mere nøjagtig simulering af både støj og signaler fra LArTPC-ledninger gør os i stand til at validere rekonstruktionsteknikker og kvantitativt evaluere deres effektivitet. Disse forbedringer vil også lette brugen af ​​disse simuleringer og moderne maskinlæringsteknikker - som skal have træningssæt, der efterligne den ægte vare tæt – for at forbedre LArTPC-detektorens nøjagtighed."

Holdet har udviklet software til både signalbehandlingsalgoritmen og de forbedrede signal- og støjsimuleringer i et "Wire-Cell Toolkit." Denne softwarepakke kan køre på konventionelle central-processing-unit (CPU) computerarkitekturer og kan også konfigureres til de meget parallelle arkitekturer af high-performance computing (HPC) systemer.

"Alle disse resultater inden for signalbehandling, simulering, og data-simuleringssammenligning bringer os tættere på at realisere det fulde potentiale af LArTPC-detektorteknologi, " sagde Brookhavens Qian. "Vi ser nu frem til de spændende resultater, der vil komme fra MicroBooNE.

"Ud over, fremskridtene hos MicroBooNE bygger grundlaget for detektions- og signalbehandlingsteknikker, der vil blive brugt med større LArTPC-detektorer - inklusive dem, der udvikles til DUNE, som efter planen kommer online i midten af ​​2020'erne."

For DUNE, Fermilabs Long-Baseline Neutrino Facility vil skyde en stråle af neutrinoer gennem Jorden fra Illinois til en gammel guldmine dybt under jorden i South Dakota. Op til fire detektorer i hulen vil bygge videre på MicroBoones evne til at spore partikler med høj præcision ved at have kolossale tanke hver med 100 gange volumen i stand til at fastlægge partiklernes positioner inden for et par millimeter.

"LArTPC-detektorer er den eneste teknologi, der kan opnå denne præcision i denne store skala. Det er det, der gør dem virkelig revolutionerende, " sagde Qian.