Første fysik resultater fra prototype detektor offentliggjort

DUNE-samarbejdet har offentliggjort deres første videnskabelige artikel baseret på data indsamlet med ProtoDUNE enfasedetektor placeret på CERNs Neutrino-platform. Resultaterne viser, at detektoren fungerer med mere end 99% effektivitet, gør den ikke kun den største, men også det bedst effektive væske-argontidsprojektionskammer til dato. Forskere bruger nu deres fund til at forfine deres eksperimentelle teknikker og forberede opførelsen af ​​det internationale Deep Underground Neutrino-eksperiment på Long-Baseline Neutrino Facility, et næste generations neutrino-eksperimentelt program arrangeret af Department of Energy's Fermilab i USA.

"Disse første resultater er gode nyheder for os, " sagde DUNEs medtalsmand Stefan Söldner-Rembold, professor ved University of Manchester i Storbritannien. "De viser, at ProtoDUNE-SP-detektoren fungerer endnu bedre end forventet. Nu er vi klar til konstruktionen af ​​de første komponenter til DUNE-detektoren, som vil indeholde detektormoduler baseret på denne prototype, men 20 gange større."

DUNE er et ambitiøst internationalt eksperiment, der skal måle egenskaberne af bittesmå fundamentale partikler kaldet neutrinoer. Neutrinoer er den mest udbredte stofpartikel i universet, men fordi de sjældent interagerer med andre partikler, de er utroligt svære at studere. Der er mindst tre forskellige typer neutrinoer, og, hvert sekund, 65 milliarder af dem passerer gennem hver kvadratcentimeter af Jorden. Når de rejser, de gør noget ejendommeligt:​​De skifter fra en type til en anden. Forskere mener, at disse neutrinoscillationer - såvel som svingninger, der involverer antistofneutrinoer - kan hjælpe med at besvare nogle af de store spørgsmål i fysik, såsom den observerede stof-antistof-asymmetri i universet. DUNE vil også lede efter neutrinoer fra supernovaer og søge efter sjældne subatomære processer såsom protonhenfald.

"ProtoDUNE-SP viser, at vi kan skalere denne type teknologi op til den størrelse og opløsning, vi skal bruge for endelig at sætte neutrinoer under et meget kraftigt mikroskop, " sagde Marzio Nessi, koordinator for CERN Neutrino Platform.

Præcis måling af disse svingninger vil begrænse og endda udelukke nogle teoretiske modeller og åbne op for nye veje til at opdage og udforske sjældne subatomare fænomener. Men for at få de præcise mål, videnskabsmænd har brug for utroligt store, følsomme og pålidelige detektorer.

"ProtoDUNE-resultaterne viser, at vi har designet en detektor, der vil give os mulighed for at nå vores videnskabelige mål i DUNE, " sagde Elizabeth Worcester, en videnskabsmand ved Department of Energy's Brookhaven National Laboratory og DUNE-fysikkoordinator.

DUNE er designet til at afsløre arten af ​​neutrinoscillationer ved at affyre en intens stråle af neutrinoer fra Fermilab nær Chicago gennem 1, 300 kilometer (800 miles) jord og ind i fire gigantiske underjordiske detektormoduler placeret 1,5 kilometer dybt ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota. To ProtoDUNE-detektorer på CERN - den ene baseret på en enkeltfaset og den anden baseret på en dobbeltfaset flydende argon-teknologi - er et skridt i retning af at bygge de enorme DUNE-detektormoduler, hver fyldt med 17, 000 tons flydende argon. DUNE Technical Design Report, udgivet i februar, er planen for at bygge disse moduler.

På CERN, DUNE-forskere fra hele kloden brugte kosmiske stråler og en 800-GeV teststråle til at evaluere ProtoDUNE-SP-detektoren. Teststrålen fra CERNs SPS accelerator passerede gennem to separate mål for at skabe stråler af elektroner, protoner og andre typer partikler. Partikeldetektorer placeret lige uden for ProtoDUNE målte energien og identiteten af ​​disse teststrålepartikler, før de kom ind i ProtoDUNE-SP. Inde i detektoren, delikate planer af ledninger spækket med fotondetektorer hænger inde i 800 tons gennemsigtige, flydende argon. Når en forbigående partikel interagerer med argonen, den banker løse elektroner, der trækkes af et højspændingsfelt over flere meter til trådplanerne tæt på detektorvæggene. Fra signalet på ledningerne, forskere skaber et 3-D billede af partiklens bane og kan bestemme dens energi og identitet. Ved at sammenligne denne information inde fra ProtoDUNE-SP med de kendte egenskaber for den originale teststrålepartikel, de var i stand til præcist at kalibrere apparatet og optimere den komplekse rekonstruktionssoftware.

Ligesom kvaliteten af ​​et foto varierer betydeligt baseret på kvaliteten af ​​et fotografs kamera og redigeringssoftware, kvaliteten af ​​fysikdata er kun lige så god som detektoren og dens genopbygningsværktøjer. Forskere, der arbejder på ProtoDUNE-SP, har lært af tidligere neutrino-eksperimenter og har opnået et præstationsniveau, der tidligere var umuligt. Alle detektordata indeholder små variationer, kaldet støj, som nogle gange kan være svære at skelne fra de signaler, der skabes af partikler. Dette er et almindeligt problem i alle fysikeksperimenter, og forskere tænker konstant på innovative måder at forbedre datakvaliteten på gennem en kombination af at øge styrken af ​​signalet og mindske mængden af ​​støj. I dette første DUNE papir, forskere viser, hvordan de var i stand til at opnå et signal-til-støj-forhold på 50 til 1, hvilket tidligere var umuligt at opnå for flydende argon tidsprojektionskamre. De evaluerede også detektorens pålidelighed og fandt ud af, at mere end 99 % af dens 15, 360-detektorkanaler fungerer som de skal.

"Hvis nogle kanaler i en detektor ikke virker, forskere får huller i deres data, " sagde Tingjun Yang, en DUNE-samarbejdspartner hos Fermilab, der ledede ProtoDUNE-dataanalysen. "Dataanalyseværktøjer kan hjælpe med at lukke disse huller, men der er en grænse. Antallet af inaktive kanaler i ProtoDUNE er mindre end 1 %, giver os en højeffektiv begivenhedsrekonstruktion. ProtoDUNE-SP viser, at vi kan nå og overgå vores fysikmål."