Detektorteknologi giver hidtil usete 3D-billeder, varsler langt større anvendelse til at studere neutrinoer

Et eksperiment til at fange hidtil usete 3D-billeder af ladede partiklers baner er blevet demonstreret ved hjælp af kosmiske stråler, mens de rammer og rejser gennem en kryostat fyldt med et ton flydende argon. Resultaterne bekræfter mulighederne for en ny detektorteknologi til partikelfysik udviklet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i samarbejde med flere universitets- og industripartnere.

Banebrydende i skala for denne nye teknologi, eksperimentet ved universitetet i Bern, Schweiz – fjernstyret på grund af COVID-19-pandemien – demonstrerer parathed til et langt større og mere ambitiøst projekt:Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), sagde Berkeley Labs videnskabsmand og teamleder Dan Dwyer.

På få år, Berkeley Lab-teamet har forvandlet et ambitiøst koncept kaldet LArPix (liquid argon pixels) til en realitet, sagde Dwyer. "Vi har overvundet udfordringer med støj, strømforbrug, kryogen kompatibilitet, og senest skalerbarhed/pålidelighed ved at overføre mange aspekter af denne teknologi til industriel fremstilling."

DUNE er et stort nyt videnskabeligt anlæg, der bygges af det amerikanske energiministerium (DOE) for at studere egenskaberne af subatomære neutrinoer, der vil blive affyret under jorden fra en accelerator ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nær Chicago, Dwyer forklarede. Neutrinoer er ekstremt lette partikler, der interagerer svagt med stof - noget forskere gerne vil forstå bedre i deres søgen efter at besvare grundlæggende spørgsmål om universet.

Neutrinoer produceret af Fermilab acceleratoren vil passere gennem en nærdetektor, instrumenteret med LArPix, på Fermilab-stedet, før de gik videre for at fuldføre deres 700-mile rejse ved en dyb underjordisk mine i South Dakota.

LArPix er et spring fremad i, hvordan man detekterer og optager signaler i flydende argon-tidsprojektionskamre (LArTPC'er), en valgt teknologi til fremtidige neutrino- og mørkt stofeksperimenter, Dwyer forklarede.

I en LArTPC, energiske subatomære partikler kommer ind i kammeret og frigiver eller ioniserer elektroner i det flydende argon. En stærk, eksternt påført elektrisk felt driver elektronerne mod en anodeside af detektorkammeret, hvor typisk et plan af ledninger fungerer som følsomme antenner til at læse disse signaler og skabe stereoskopiske 2D-billeder af hændelsen. Men denne teknologi er ikke nok til at klare intensiteten og kompleksiteten af ​​de neutrinohændelser, der skal aflæses for DUNE Near Detector, sagde Dwyer.

"Så, det er her, vi hos Berkeley Lab kommer ind med denne ægte 3D pixel udlæsning leveret af LArPix, "Dwyer sagde. "Det vil give os mulighed for at afbilde DUNE neutrinoer med høj kvalitet i et meget travlt miljø."

Ved at bruge LArPix, forklarede han, ledningsplanerne er erstattet med arrays af metalliske pixels fremstillet på standard elektroniske printkort, som let kan fremstilles. Den energibesparende elektronik, han sagde, er kompatible med kravene til den kryogene tilstand af det flydende argonmedium.

Denne seneste præstation ville ikke have været mulig uden det stærke partnerskab med ArgonCube Collaboration, et team af videnskabsmænd fokuseret på at fremme LArTPC-teknologi, centreret ved universitetet i Bern. For Bern-eksperimenterne, forskerne brugte et detektorkammer med 80, 000 pixels nedsænket i et ton flydende argon ved -330 grader Fahrenheit. Systemet, han sagde, givet høj troskab, ægte 3D-billeddannelse af kosmiske strålebyger, mens de rejste gennem detektoren.

"Dette er en vigtig milepæl i udviklingen af ​​LArTPC'er og DUNE Near Detector, " sagde Michele Weber, Direktør for Laboratoriet for Højenergifysik ved Universitetet i Bern, som også fungerer som leder af DUNE International Consortium, der er ansvarlig for at bygge denne detektor.

"Det er langt mere kompliceret end noget, der nogensinde er blevet bygget til LArTPC'er, " sagde Brooke Russell, en postdoc ved Berkeley Lab og medlem af LArPix-teamet. med 80, 000 kanaler, hun sagde, LArPix-løbet i Bern overgik langt de tidligere avancerede 15, 000 kanals LArTPC. "Kompleksitetsniveauet fra ledninger til pixels voksede eksponentielt, " hun sagde.

Partnere fra UC Berkeley, Caltech, Colorado State University, Rutgers, UC Davis, UC Irvine, UC Santa Barbara, UPenn, og University of Texas i Arlington hjalp forskerne med at udvikle og teste dette meget større system.

For DUNE, Dwyer sagde, systemet skal skaleres til mere end 10 millioner pixels, der vil sidde i omkring 300 tons flydende argon. Han sagde, at dette kan lade sig gøre både på grund af detektorkamrenes modulære karakter såvel som evnen til at flisebelægge LArPix-kort, der består af tusindvis af individuelle pixeldetektorer.

"Denne teknologi vil gøre det muligt for DUNE-nærdetektoren at overvinde signalpileup som følge af den høje intensitet af neutrinostrålen på stedet, " sagde Dwyer. "Det kan også finde anvendelse i DUNE Far Detectors, andre fysik eksperimenter, såvel som ikke-fysiske applikationer, " han sagde.

Ved DUNE Far Detectors, videnskabsmænd vil måle, hvordan neutrinoernes kvantesmag ændres under transit fra nærdetektoren.

Ved at studere neutrinoer, "Vi tror, ​​vi kan lære noget om universets dybere mysterier - især spørgsmål som hvorfor der er mere stof end antistof i universet, " forklarede Dwyer.

For at DUNE skal lykkes, partikelfysikere "havde brug for et niveau af tænkning uden for boksen, når det kommer til detektorteknologi, " sagde Russell. "For ethvert gennembrud inden for eksperimentel partikelfysik har du selvfølgelig brug for nye ideer, " tilføjede hun. "Men hvis din hardware ikke kan levere, så kan du simpelthen ikke foretage målingen."