3-D-trykte neutrino-detektorer

Plastscintillatorer er et af de mest anvendte aktive materialer inden for højenergifysik. Deres egenskaber gør det muligt at spore og skelne mellem partikeltopologier. Blandt andet, scintillatorer bruges i detektorer af neutrino -oscillationsforsøg, hvor de rekonstruerer den endelige tilstand af neutrino -interaktionen. Målinger af oscillationsfænomener udføres ved sammenligning af observationer af neutrinoer i nærdetektorer (tæt på målet) og fjerndetektorer (op til flere hundrede kilometer væk).

CERN er stærkt involveret i T2K -eksperimentet, det nuværende verdensførende neutrino-oscillationsforsøg, i Japan, som for nylig offentliggjorde lovende resultater. En fremtidig opgradering af eksperimentets nærdetektor vil bane vejen for mere præcise resultater. Den nye detektor vil omfatte en to-ton polystyrenbaseret plastisk scintillatordetektor segmenteret i 1 x 1 x 1 cm ³ terninger, hvilket fører til i alt omkring to millioner følsomme elementer:jo mindre terninger, jo mere præcise resultater. Denne teknologi kan anvendes til andre projekter, f.eks. DUNE nær detektor. Imidlertid, mere præcise målinger ville kræve finere granularitet, gør detektorsamlingen sværere.

Det er her, CERN EP-Neutrino-gruppen-ledet af Albert De Roeck-træder ind, udvikle en ny plastik scintillator produktionsteknik, der involverer additiv fremstilling. F&U udføres i samarbejde med Institute for Scintillation Materials (ISMA) fra National Academy of Science of Ukraine, som har stærk ekspertise inden for udvikling af scintillatormaterialer, og Haute École d'Ingénierie et Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD), som er ekspert i additiv fremstilling. Det endelige mål er at 3D-printe en "superterning, " det er, en enkelt massiv blok af scintillator, der indeholder mange optisk uafhængige terninger. 3D-udskrivning ville løse spørgsmålet om samling af de enkelte terninger, som således kunne produceres i enhver størrelse, inklusive mindre end 1 cm ³ , og relativt hurtigt (mængder større end 20 x 20 x 20 cm ³ kan produceres på cirka en dag).

Indtil nu, samarbejdet har været frugtbart. En indledende test gav det første bevis på konceptet:scintillationslysudbyttet af en polystyrenbaseret scintillator 3D-trykt med fusioneret aflejringsmodellering har vist sig at være sammenlignelig med en traditionel scintillator. Men vejen mod en klar-til-brug super-terning er stadig lang. Yderligere optimering af scintillatorparametrene og tuning af 3D-printerkonfigurationen, efterfulgt af en fuldstændig karakterisering af 3D-trykt scintillator, skal opnås, før lysreflektormaterialet til optisk isolering af terningerne kan udvikles.

Denne nye teknik kunne også åbne op for nye muligheder for området partikeldetektion. En vellykket 3D-trykt plastscintillatordetektor kunne bane vejen for en bredere brug af denne teknologi i detektorbygning, som kunne ryste området inden for højenergifysik, såvel som medicin, hvor der anvendes partikeldetektorer for eksempel, i kræftterapi. I øvrigt, den meget omkostningseffektive 3D-printer kunne replikeres ganske let og bruges i et stort antal indstillinger. Umut Kose, fra EP-neutrino-gruppen og Neutrino Platform på CERN, forklarer:"Vores drøm går ud over superterningen. Vi synes gerne, at, om nogle år, 3D-print vil give gymnasieelever mulighed for at lave deres egne strålingsdetekteringssystemer. Denne teknologis opsøgende potentiale er forbløffende. "

Davide Sgalaberna, nu på ETH Zürich, kan ikke skjule sin begejstring for dette eventyr:"Det er første gang, at 3D-print kan bruges til rigtige partikeldetektorer. Vi forvandler vores personlige vilje til et projekt, og vi håber, at dette kan føre til et gennembrud. Det er spændende. "Denne spænding deles af Davides kolleger, der er mere end klar til at genoptage arbejdet med den 3D-trykte detektor, når lempelsen af ​​lockdown gør det muligt for alle at vende tilbage til CERN.