Fysikere opnår en betydelig forbedring i at se acceleratorproducerede neutrinoer i en kosmisk høstak

Hvordan ser du en subatomær neutrino i en "høstak" af partikler, der strømmer fra rummet? Det er den skræmmende udsigt til fysikere, der studerer neutrinoer med detektorer nær Jordens overflade. Med lidt eller ingen afskærmning på sådanne ikke-underjordiske steder, overfladebaserede neutrinodetektorer, søger normalt efter neutrinoer produceret af partikelacceleratorer, bombarderes af kosmiske stråler-ubarmhjertige byger af subatomære og nukleare partikler produceret i Jordens atmosfære ved interaktioner med partikler, der strømmer fra fjernere kosmiske steder. Disse rigelige rejsende, for det meste muoner, opret en bane af krydsende partikelspor, der let kan skjule en sjælden neutrino -begivenhed.

Heldigvis, fysikere har udviklet værktøjer til at dæmpe den kosmiske "støj".

Et team med fysikere fra det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory beskriver fremgangsmåden i to artikler, der for nylig blev accepteret at blive offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt og Journal of Instrumentation (JINST) . Disse artikler viser forskernes evne til at udtrække klare neutrinosignaler fra MicroBooNE -detektoren ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Metoden kombinerer CT-scanner-lignende billedrekonstruktion med datasigtningsteknikker, der får acceleratorproducerede neutrinosignaler til at skille sig ud 5 til 1 mod den kosmiske strålebaggrund.

"Vi udviklede et sæt algoritmer, der reducerer den kosmiske strålebaggrund med en faktor 100, 000, "sagde Chao Zhang, en af ​​Brookhaven Lab-fysikerne, der hjalp med at udvikle datafiltreringsteknikkerne. Uden filtrering, MicroBooNE ville se 20, 000 kosmiske stråler for hver neutrino -interaktion, han sagde. "Dette papir demonstrerer den afgørende evne til at fjerne den kosmiske strålebaggrund."

Bonnie Fleming, en professor ved Yale University, der er medordfører for MicroBooNE, sagde, "Dette arbejde er kritisk både for MicroBooNE og for det fremtidige amerikanske neutrino-forskningsprogram. Dets indvirkning vil især strække sig ud over brugen af ​​denne" Wire-Cell 'analyseteknik, selv på MicroBooNE, hvor andre genopbygningsparadigmer har vedtaget disse datasorteringsmetoder for dramatisk at reducere kosmiske strålebaggrunde. "

Sporingsneutrinoer

MicroBooNE er en af ​​tre detektorer, der udgør det internationale Short-Baseline Neutrino-program på Fermilab, hver placeret en anden afstand fra en partikelaccelerator, der genererer en omhyggeligt kontrolleret neutrino -stråle. De tre detektorer er designet til at tælle forskellige typer neutrinoer op på større afstande for at lede efter uoverensstemmelser fra det forventede baseret på blandingen af ​​neutrinoer i strålen og hvad der vides om neutrino "oscillation". Oscillation er en proces, hvor neutrinoer bytter identitet mellem tre kendte typer, eller "smag". Spotting afvigelser i neutrino -tællinger kan pege på en ny ukendt svingningsmekanisme - og muligvis en fjerde neutrino -sort.

Brookhaven Lab -forskere spillede en stor rolle i designet af MicroBooNE -detektoren, især den følsomme elektronik, der fungerer i detektorens superkolde væske-argonfyldte tidsprojektionskammer. Da neutrinoer fra Fermilabs accelerator kommer ind i kammeret, af og til vil en neutrino interagere med et argonatom, sparker nogle partikler ud af dets kerne - en proton eller en neutron - og genererer andre partikler (muoner, pioner) og et lysglimt. De ladede partikler, der bliver sparket ud, ioniserer argonatomer i detektoren, slår nogle af deres elektroner ud af kredsløb. Elektronerne, der dannes langs disse ioniseringsspor, bliver opsamlet af detektorens følsomme elektronik.

"Hele elektronsporet driver langs et elektrisk felt og passerer gennem tre på hinanden følgende planer af tråde med forskellige orienteringer i den ene ende af detektoren, "Sagde Zhang." Da elektronerne nærmer sig ledningerne, de fremkalder et signal, så hvert sæt ledninger skaber et 2D -billede af sporet fra en anden vinkel. "

I mellemtiden, lysglimtene, der blev skabt på tidspunktet for neutrino -interaktionen, bliver opsamlet af fotomultiplikatorrør, der ligger ud over trådarrayerne. Disse lyssignaler fortæller forskere, hvornår neutrino -interaktionen fandt sted, og hvor lang tid det tog sporene at nå frem til trådflyene.

Computere oversætter denne timing til afstand og samler 2D -sporbillederne for at rekonstruere et 3D -billede af neutrino -interaktionen i detektoren. Sporets form fortæller forskere, hvilken smag af neutrino der udløste interaktionen.

"Denne 3D" Wire-Cell 'billedrekonstruktion ligner medicinsk billeddannelse med en computertomografi (CT) scanner, "Forklarede Zhang. I en CT -scanner, sensorer fanger øjebliksbilleder af kroppens indre strukturer fra forskellige vinkler, og computere samler billederne. "Forestil dig, at partikelsporene går gennem de tre trådplaner som en person, der går ind i scanneren, " han sagde.

Frigørelse af det kosmiske web

Det lyder næsten enkelt - hvis du glemmer de tusindvis af kosmiske stråler, der strømmer gennem detektoren på samme tid. Deres ioniseringsspor driver også gennem scanningstrådene, skabe billeder, der ligner et sammenfiltret web. Derfor har MicroBooNE -forskere arbejdet med sofistikerede "triggere" og algoritmer for at gennemse dataene, så de kan udtrække neutrinosignalerne.

I 2017, de havde gjort betydelige fremskridt med at reducere den kosmiske strålestøj. Men selv da, kosmiske stråler i undertal af neutrino -spor med omkring 200 til 1. De nye papirer beskriver yderligere teknikker til at reducere dette forhold, og vend det til det punkt, hvor neutrinosignaler i MicroBooNE nu skiller sig ud 5 til 1 mod den kosmiske strålebaggrund.

Det første trin involverer at matche de signaler, der afsløres af partikler, der genereres i neutrino -interaktioner, med de nøjagtige lysglimt, der optages af fotomultiplikatorrørene fra denne interaktion.

"Det er ikke let!" sagde Brookhaven Lab -fysikeren Xin Qian. "Fordi tidsprojektionskammeret og fotomultiplikatorrørene er to forskellige systemer, vi ved ikke, hvilken flash der svarer til hvilken hændelse i detektoren. Vi skal sammenligne lysmønstrene for hvert fotomultiplikatorrør med alle disse partiklers placering. Hvis du har gjort alt matchende korrekt, finder du et enkelt 3D -objekt, der svarer til et enkelt lysglimt målt af fotomultiplikatorrørene. "

Brooke Russell, der arbejdede på analysen som en Yale -kandidatstuderende og nu er postdoktor ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory, gentog disse kommentarer om udfordringen med lysmatching. "I betragtning af at afgiftsoplysningerne i nogle tilfælde ikke er fuldstændigt komplementære til lette oplysninger, der kan være uklarheder i ladning-lys-parringer på et enkelt aflæseligt grundlag. Algoritmerne udviklet af teamet hjælper med at redegøre for disse nuancer, " hun sagde.

Stadig, forskerne skal derefter sammenligne timingen af ​​hvert spor med den tid, acceleratoren neutrinoer blev udsendt (en faktor, de kender, fordi de styrer acceleratorstrålen). "Hvis timingen er konsekvent, så er det en mulig neutrino -interaktion, "Sagde Qian.

Algoritmen udviklet af Brookhaven -teamet bringer forholdet ned til en neutrino for hver seks kosmiske strålehændelser.

Afvisning af yderligere kosmiske stråler bliver lidt lettere med en algoritme, der eliminerer spor, der fuldstændigt krydser detektoren.

"De fleste kosmiske stråler går gennem detektoren fra top til bund eller fra den ene side til den anden, "sagde Xiangpan Ji, en Brookhaven Lab postdoc, der arbejder på denne algoritme. "Hvis du kan identificere sporets ind- og udstigningspunkt, du ved, det er en kosmisk stråle. Partikler dannet ved neutrino -interaktioner skal starte midt i detektoren, hvor interaktionen finder sted. "

Det bringer forholdet mellem neutrino -interaktioner og kosmiske stråler til 1:1.

En yderligere algoritme afskærmer begivenheder, der starter uden for detektoren og stoppes et sted i midten - som ligner neutrinohændelser, men bevæger sig i den modsatte retning. Og et sidste finjusterende trin udelukker begivenheder, hvor lyset ikke matcher godt med begivenheder, at bringe påvisningen af ​​neutrinohændelser til det bemærkelsesværdige niveau på 5 til 1 sammenlignet med kosmiske stråler.

"Dette er en af ​​de mest udfordrende analyser, jeg har arbejdet med, "sagde Hanyu Wei, Brookhaven Labs postdoktor, der leder analysen. "Væske-argon-tidsprojektionskammeret er en ny detektorteknologi med masser af overraskende funktioner. Vi måtte opfinde mange originale metoder. Det var virkelig en teamindsats."

Zhang gentog den følelse og sagde:"Vi forventer, at dette arbejde vil øge potentialet betydeligt for MicroBooNE -eksperimentet til at udforske den spændende fysik på korte grundlinjer. Faktisk, Vi glæder os til at implementere disse teknikker i forsøg på alle tre neutrino-detektorer med kort baseline for at se, hvad vi lærer om neutrino-svingninger og den mulige eksistens af en fjerde neutrino-type. "