Drevet af pixels

Det er 2019. Vi vil have vores mobiltelefoner hurtigt, vores computere hurtigere og skærme så skarpe, at de konkurrerer med en morgen i bjergene. Vi er et digitalt samfund, og slørede billeder fra kartoffel-kameraer vil ikke skære det for masserne. Fysikere, det viser sig, er ikke anderledes - og de vil have det samme skarpe snap fra deres neutrino -detektorer.

Cue ArgonCube:en prototypedetektor under udvikling, der tager en stadig spirende teknologi til nye højder med en plan om at fange partikelspor, der er værdigt til det 4K-tv. Hemmeligheden i dens hjerte? Det hele handler om pixels.

Men lad os tage to skridt tilbage. Argon er et grundstof, der udgør omkring 1 procent af den søde luft, du indånder. I løbet af de sidste årtier har den flydende form af argon er vokset til det foretrukne medium for neutrino-detektorer. Neutrinoer er de irriterende fundamentale partikler, der sjældent interagerer med noget, men som kan være nøglen til at forstå, hvorfor der er så meget stof i universet.

Store detektorer fulde af kulde, tæt argon giver masser af atomkerner, som neutrinoer kan støde på og interagere med - især når acceleratoroperatører sender bjælker, der indeholder billioner af de små ting. Når neutrinoerne interagerer, de skaber brusere af andre partikler og lys, som elektronikken i detektoren fanger og omdanner til billeder.

Hvert billede er et snapshot, der fanger en interaktion af en af ​​de mest mystiske, flygtig, undvigende partikler derude; en partikel, der forårsagede Wolfgang Pauli, ved at foreslå det i 1930, at beklage, at han troede, at forsøgsledere aldrig ville være i stand til at opdage det.

Aktuelle state-of-the-art flydende argon neutrino-detektorer - store spillere som MicroBooNE, ICARUS og ProtoDUNE – brug ledninger til at fange de elektroner, der er slået løs af neutrino-interaktioner. Store fly med tusindvis af ledninger krydser detektorerne, hvert sæt indsamler koordinater, der kombineres af algoritmer til 3-D rekonstruktioner af en neutrinos interaktion.

Disse opsætninger er effektive, velforstået og et godt valg til store projekter – og du bliver ikke meget større end det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, som er vært for Fermilab.

DUNE vil undersøge, hvordan de tre kendte typer neutrinoer ændrer sig, når de rejser lange afstande, yderligere at udforske et fænomen kaldet neutrinoscillationer. Forskere vil sende billioner af neutrinoer fra Fermilab hvert sekund på en 1, 300 kilometer rejse gennem jorden – ingen tunnel nødvendig – til South Dakota. DUNE vil bruge trådkamre i nogle af de fire enorme fjerndetektormoduler, hver med mere end 17, 000 tons flydende argon.

Men forskere skal også måle strålen af ​​neutrinoer, når den forlader Fermilab, hvor DUNE nærdetektoren vil være tæt på neutrinokilden og se flere interaktioner.

"Vi forventer, at strålen er så intens, at du vil have et dusin neutrino-interaktioner pr. strålepuls, og disse vil alle overlappe i din detektor, " sagde Dan Dwyer, en videnskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory, der arbejder på ArgonCube. At forsøge at adskille et stort antal hændelser ved hjælp af 2-D wire imaging er en udfordring. "Den nærmeste detektor vil være en ny kompleksitet."

Og ny kompleksitet, I dette tilfælde, betyder udvikling af en ny slags flydende-argon-detektor.

Pixel mig dette

Folk havde tidligere tænkt på at lave en pixeleret detektor, men det kom aldrig fra jorden.

"Dette var en drøm, " sagde Antonio Ereditato, far til ArgonCube-samarbejdet og videnskabsmand ved universitetet i Bern i Schweiz. "Vi udviklede denne originale idé i Bern, og det var tydeligt, at den kun kunne flyve med den rette elektronik. Uden det, dette ville kun have været ønsketænkning. Vores kolleger fra Berkeley havde lige det, der var påkrævet. "

Pixels er små, og det er neutrino-detektorer ikke. Du kan passe cirka 100, 000 pixels per kvadratmeter. Hver enkelt kanal er en unik kanal, der - når den først er udstyret med elektronik - kan give information om, hvad der sker i detektoren. For at være følsom nok, den lille elektronik skal sidde lige ved siden af ​​pixels inde i det flydende argon. Men det udgør en udfordring.

"Hvis de brugte selv strømmen fra din standardelektronik, din detektor ville bare koge, " sagde Dwyer. Og en flydende argon-detektor virker kun, når argon er tilbage … ja, væske.

Så Dwyer og ASIC -ingeniør Carl Grace ved Berkeley Lab foreslog en ny tilgang:Hvad hvis de lod hver pixel ligge i dvale?

"Når signalet ankommer til pixlen, den vågner og siger:"Hej, der er et signal her, "" Forklarede Dwyer. "Så registrerer det signalet, sender den ud og sover igen. Vi var i stand til at reducere mængden af ​​strøm drastisk."

Ved mindre end 100 mikrowatt pr. Pixel, denne løsning virkede som et lovende design, der ikke ville gøre detektoren til et tårn af gas. De samlede et tilpasset prototypekredsløb og begyndte at teste. Det nye elektronikdesign fungerede.

Den første test var blot 128 pixels, men tingene skalerede hurtigt. Holdet begyndte at arbejde på pixel-udfordringen i december 2016. I januar 2018 var de rejst med deres chips til Schweiz, installerede dem i flydende-argon-testdetektoren bygget af Bern-forskerne og indsamlede deres første 3D-billeder af kosmiske stråler.

"Det var chok og glæde, " sagde Dwyer.

Til den kommende installation hos Fermilab, samarbejdspartnere får brug for endnu mere elektronik. Det næste skridt er at arbejde sammen med producenter i industrien om kommercielt at fremstille de chips og udlæsningstavler, der vil holde omkring en halv million pixels. Og Dwyer har modtaget en Department of Energy Early Career Award for at fortsætte sin forskning i pixelelektronikken, som supplement til det schweiziske SNSF -tilskud til Bern -gruppen.

"Vi forsøger at gøre det her på en meget aggressiv tidsplan - det er endnu et vanvittigt strejf, "Dwyer sagde. "Vi har sammensat et rigtig godt team på ArgonCube og gjort et godt stykke arbejde med at vise, at vi kan få denne teknologi til at fungere for DUNE nærdetektoren. Og det er vigtigt for fysikken, i sidste ende."

Flere innovationer venter

Mens den pixelcentrerede elektronik i ArgonCube skiller sig ud, de er ikke de eneste teknologiske innovationer, som videnskabsmænd planlægger at implementere til den kommende nærdetektor af DUNE. Der er forskning og udvikling af en ny slags lysdetektionssystem og ny teknologi til at forme det elektriske felt, der trækker signalet til elektronikken. Og, selvfølgelig, der er modulerne.

De fleste flydende argondetektorer bruger en stor beholder fyldt med argon og ikke for meget andet. Signalerne driver lange afstande gennem væsken til de lange ledninger, der er trukket på tværs af den ene side af detektoren. Men ArgonCube går efter noget meget mere modulært, bryde detektoren op i mindre enheder, der stadig er indeholdt i den omgivende kryostat. Dette har visse fordele:Signalet behøver ikke at rejse så langt, argonen behøver ikke at være så ren, for at signalet når sin destination, og videnskabsmænd kunne potentielt hente og reparere individuelle moduler, hvis det kræves.

"Det er lidt mere kompliceret end det typiske, ledningsbaseret detektor, "sagde Min Jeong Kim, som leder teamet hos Fermilab, der arbejder med kryogenics og vil være involveret i den mekaniske integration af ArgonCube prototype teststand. "Vi er nødt til at finde ud af, hvordan disse moduler vil interface med det kryogene system."

Det betyder at finde ud af alt fra at fylde detektoren med flydende argon og opretholde det rigtige tryk under drift til korrekt filtrering af urenheder fra argon og cirkulere væsken rundt om (og gennem) modulerne for at opretholde en jævn temperaturfordeling.

ArgonCube-prototypen under montering på universitetet i Bern vil køre indtil udgangen af ​​året, før den sendes til Fermilab og installeres 100 meter under jorden, hvilket gør den til den første store prototype for DUNE sendt til Fermilab og testet med neutrinoer. Efter at have trænet sine knæk, forskere kan færdiggøre designet og bygge den fulde ArgonCube -detektor.

Yderligere instrumentering og komponenter såsom et gas-argon-kammer og et strålespektrometer vil afrunde nærdetektoren.

Det er en spændende tid for de 100-nogle fysikere fra 23 institutioner, der arbejder på ArgonCube – og for de mere end 1, 000 neutrinofysikere fra over 30 lande, der arbejder på DUNE. Det, der startede som ønsketænkning, er blevet til virkelighed – og ingen ved, hvor langt pixelteknologien kan gå.

Ereditato drømmer endda om at erstatte designet af et af de fire massive DUNE fjerndetektormoduler med en pixeleret version. Men en ting ad gangen, han siger.

"Lige nu koncentrerer vi os om at bygge den bedst mulige nærdetektor til DUNE, "Sagde Ereditato." Det har været en lang vej, med mange involverede men flydende argon-teknologien er stadig ung. ArgonCube-teknologien er beviset på, at teknikken har potentialet til at yde endnu bedre i fremtiden."