Prototype til DUNE-detektor vil teste ny teknologi, der kan håndtere flere neutrinoer

Længe før Deep Underground Neutrino Experiment tager sine første målinger i et forsøg på at udvide vores forståelse af universet, er en prototype til en af ​​eksperimentets detektorer ved at bane nye spor inden for neutrino-detektionsteknologi.

DUNE, der i øjeblikket er under opførelse, vil være et massivt eksperiment, der strækker sig over mere end 800 miles. En stråle af neutrinoer, der stammer fra det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory, vil passere gennem en partikeldetektor placeret på Fermilab-stedet og derefter rejse gennem jorden til en enorm detektor ved Sanford Underground Research Facility i South Dakota.

Nærdetektoren består af et sæt partikeldetektionssystemer. En af dem, kendt som ND-LAr, vil have et flydende-argon tidsprojektionskammer til at optage partikelspor; det vil blive placeret inde i en beholder fuld af flydende argon. Når en neutrino kolliderer med en af ​​de partikler, der udgør argonatomer, genererer kollisionen flere partikler. Efterhånden som hver partikel skabt i kollisionen rejser ud af kernen, interagerer den med nærliggende atomer, fjerner nogle af deres elektroner, hvilket fører til produktion af detekterbare signaler i form af lys og ladning.

ND-LAr er optimeret til at se begge disse typer signaler. DUNE-forskere valgte flydende argon til et af nærdetektorsystemerne, så de kan foretage direkte en-til-en sammenligninger, når de analyserer resultaterne fra både ND-LAr og fjerndetektoren, som også er afhængig af flydende argon til partikeldetektion.

Prototypen til ND-LAr fik sit navn, 2×2 prototypen, fordi dens fire moduler er arrangeret i en firkant. Den endelige version af ND-LAr vil indeholde 35 moduler, hver lidt større end dem, der blev brugt til prototypen. Snart vil 2×2-prototypen blive installeret under jorden i vejen for Fermilabs NuMI neutrinostråle til test.

"Vi vil placere dette i, hvad der i øjeblikket er verdens mest intense neutrinostråle," sagde Juan Pedro Ochoa-Ricoux, professor ved University of California, Irvine, som er medleder i dataanalyseindsatsen for 2×2. prototype. "Vi vil være i stand til at teste vores prototype under realistiske omstændigheder."

Sortering af en flod af neutrinoer

2×2 prototypen, og til sidst ND-LAr selv, vil detektere neutrinostrålen tæt på dets mest intense punkt.

Når en stråle af protoner fra en accelerator kolliderer med et mål, skaber den en spray af andre ladede partikler, der hurtigt henfalder til andre partikler, inklusive neutrinoer. Strålen af ​​ladede partikler, der bruges til at generere neutrinoer, er tæt fokuseret, men når denne neutrinostråle er skabt, kan de ikke længere styres eller fokuseres, da de ikke har nogen ladning. Når strålen rejser gennem rummet, spredes neutrinoerne ud, og strålen bliver mindre tæt.

"Det er lidt ligesom en lommelygte:Når du retter en lommelygte mod en væg, hvis du er tæt på væggen, ser du en lille cirkel, men hvis du kommer væk fra væggen, bliver cirklen større og større og større. ," sagde Ochoa-Ricoux.

Fordi nærdetektoren vil være tæt på kilden til neutrinostrålen, vil den opfange flere neutrinointeraktioner i et mindre rum, end den fjernere detektor vil. Denne kraftige tilstrømning af neutrinoer giver nogle udfordringer for effektivt at registrere neutrino-interaktionerne i ND-LAr. Mens fjerndetektoren måske kun opfanger én neutrino ad gangen, vil nærdetektoren se mange flere neutrinoer interagere.

"Alle disse interaktioner forekommer stort set på samme tid," sagde Ochoa-Ricoux. "Vi skal være i stand til at skille alle disse interaktioner ad."

Heldigvis har forskere ved University of Bern og DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory arbejdet på nyt design og teknologi til en flydende-argon-detektor, der er mere egnet til denne høje tæthed af neutrinoer.

Holdet ved University of Bern udviklede et nyt design til flydende argon neutrino-detektorer. I stedet for kun et stort volumen flydende argon opdeler dette design detektoren i moduler.

Det nye design resulterer ikke kun i en kortere afstand for strippede elektroner til at drive mod den detekterende overflade, men giver også en bedre forståelse af, hvor neutrino-interaktionerne sker. Ved at gøre modulerne mindre viser det lys, der produceres i en neutrino-interaktion i en bestemt enhed, hvilket indsnævrer dens placering.

Et modulært design betyder også, at der sker færre interaktioner i hvert modul. Som et resultat er det lettere at parre detekteringen af ​​lyset og de ladede partikler for at forstå neutrino-interaktionen. Denne form for detektor kan mere effektivt håndtere mange interaktioner, der sker på kort tid.

Disse to konsekvenser af en opdelt detektor gør den ideel til ND-LAr, da dette design giver mulighed for et mere præcist tredimensionelt billede af, hvor en neutrino-interaktion fandt sted, sagde Michele Weber, professor ved universitetet i Bern, der arbejder på prototypedetektoren designe og lede ND-LAr-indsatsen.

"Det er fantastisk at se et koncept udviklet på vores universitet finde ansøgning i DUNE gennem et samarbejde med Fermilab," sagde Weber. "En udfordring, vi skulle tage fat på for at vide, hvilket signal der hører til hvilken interaktion, er at forbedre 3D-visningen af ​​hver interaktion."

Få et klarere billede

I mellemtiden har et andet team hos Berkeley Lab skabt en ny type signaludlæsningssystem, der kan adressere den enorme mængde data, der forventes i nærdetektoren.

Traditionelt har flydende argon-tidsprojektionskamre, eller LArTPC, brugt en række lagdelte ledninger på tværs af siden af ​​detektoren til at fange signalet fra strippede elektroner, der frigives i en interaktion mellem en neutrino og argon. Kombination af signalerne indsamlet af lagene af ledninger, som giver en række todimensionelle projektioner, giver nok information til at rekonstruere et tredimensionelt billede af interaktionen.

Men når der er mange neutrino-argon-interaktioner i detektoren - et fænomen kaldet neutrino pileup - giver dette udlæsningssystem ikke et så klart billede, sagde Brooke Russell, en Chamberlain-stipendiat ved Berkeley Lab, der arbejder på 2× 2 prototype.

I stedet bruger udlæsningssystemet udviklet på Berkeley Lab en fuldt pixeleret udlæsning, hvilket betyder, at hver fysisk kanal i detektoren svarer til én digital udlæsningskanal. Brug af denne matrix af pixels viser direkte den tredimensionelle placering af interaktionen og kan løse alle de mange neutrino-interaktioner, der sker næsten samtidigt.

"Dette har store konsekvenser for de typer af signaler, vi konstruerer, og intensiteten af ​​aktivitet, som vi kan være tolerante over for," sagde Russell. "Med DUNE-nærdetektoren er vi for første gang i et regime, hvor vi har neutrino-pileup. En sådan udlæsning er absolut nødvendig for at rekonstruere neutrino-begivenhederne."

Sæt 2×2 på prøve

Modulerne til prototypen blev bygget og testet på universitetet i Bern, derefter sendt til Fermilab og testet igen før deres installation. Forberedelserne er i gang til prototypens installation inden årets udgang for at teste neutrino-detektionen, når NuMI-strålen tændes igen til vinter.

Eksperimentets installationsteam vil placere prototypedetektoren i en kryogenisk afkølet beholder og klemme den mellem to genbrugte detektorstykker fra det pensionerede MINERvA neutrinoeksperiment på Fermilab. MINERvA målte neutrino-interaktioner fra 2010 til 2019.

Da ND-LAr prototypedetektoren ikke er særlig stor, kan den ikke måle den fulde vej for nogle af de partikler, der skabes, når neutrinoer interagerer med argon. Bemærkelsesværdige eksempler er myoner, som typisk rejser over lange afstande, før de stopper. Det er her de gamle MINERvA detektorkomponenter kommer i spil. Ved at bruge disse komponenter til at spore myoner, der forlader prototypedetektoren, kan forskere skelne myoner fra ladede pioner, en anden type subatomære partikler.

Placering af prototypen mellem MINERvA-segmenterne hjælper også med at identificere muoner, der passerer igennem, men som ikke stammer fra detektoren, og adskiller dem fra de myoner, der kommer inde fra detektoren som et produkt af neutrino-interaktioner.

"Vi kan bruge MINERvA-flyene til at hjælpe os med at spore neutrinoer, der interagerede i klippen opstrøms for detektoren og dannede muoner, der gik ind i detektoren," sagde Jen Raaf, direktør for Neutrino Division hos Fermilab, som koordinerer 2×2 prototypeprojektet . "Vi vil være i stand til at forbinde sporene for at identificere dem [der ikke stammer fra detektoren] og slippe af med dem, for det er ikke det, vi er interesserede i."

MINERvA-flyene giver også forskerne mulighed for at spore partikler skabt i neutrino-interaktioner i LArTPC, men som forlader argonvolumenet, før de stopper. "MINERvA vil give os mulighed for at spore disse spændende partikler og måle deres energi," sagde Raaf, "så vi kan få et nøjagtigt estimat af neutrinoens energi, når den interagerer i LArTPC."

Når 2×2-prototypen testes i neutrinostrålen, vil den ikke kun sikre, at prototypen fungerer korrekt, men forskere kan også udføre neutrinofysik-eksperimenter, sagde Ochoa-Ricoux.

Selvom det komplette DUNE-eksperiment ikke vil begynde at fungere i flere år," sagde han, "skal vi allerede producere nogle vigtige fysikresultater med denne prototype."

Nogle af disse præ-DUNE-eksperimenter i 2×2-prototypen omfatter undersøgelse af reaktionerne mellem neutrinoer og argon og måling af tværsnit eller sandsynligheden for partikelinteraktioner.

Mellem det modulære design og pixeludlæsningen vil ND-LAr være unik blandt flydende argon neutrino-detektorer. Det betyder, at bygning og test af en prototype er afgørende for at sikre, at det innovative design fungerer som forventet. Efterhånden som et nyt stykke teknologi bygges, skal videnskabsmænd teste hvert trin i konstruktionen for at demonstrere dets evner, sagde Weber.

"ND-LAr har et atypisk design," sagde Russell. "Vi ønsker at validere, at nogle af de designprincipper, som vi tror vil fungere, faktisk vil fungere."

Det er også vigtigt, at en prototype bygges stor nok til at sikre, at det endelige udstyr er muligt at konstruere og installere, sagde Raaf.

"At gøre noget i mindre skala, men stort nok til at du ville være i stand til at identificere vanskeligheder i konstruktion og montering, er et virkelig vigtigt skridt i alle partikelfysiske eksperimenter," sagde hun. "Du vil have noget, der er stort nok til at opleve de forskellige ting, du skal gøre, som at bruge en kran til at samle det op og være i stand til at flytte det på bestemte måder."

DUNE-samarbejdet er organiseret i konsortier, der fokuserer på forskellige aspekter af projektet. Udviklingen af ​​2×2-prototypen er en del af ND-LAr Consortium, hvoraf University of Bern og Berkeley Lab kun er to blandt snesevis af institutioner.

"Alle disse mennesker deltager i denne prototype på et eller andet niveau for at sikre, at det, de har forestillet sig for den fuld størrelse ting, faktisk fungerer i en mindre skala, og at vi ikke behøver at justere noget," sagde Raaf. "Måske vil vi, hvilket er fint - det er derfor, vi laver prototyper. Vi mødes ugentligt og diskuterer, hvordan det går? Hvad skal vi gøre næste gang? Hvad gik godt? Hvad kan vi forbedre?"

For en så stor opgave er samarbejde mellem flere institutioner nødvendigt, sagde Weber, der fungerer som leder af ND-LAr-konsortiet. Mellem Fermilabs neutrinostråle, University of Berns modulopbyggede detektorkoncept, Berkeley Labs udlæsningsteknologi og databehandlingen og analysen, der finder sted på mange institutioner, bringer hver samarbejdspartner i ND-LAr Consortium sine unikke evner til at påvirke dette projekt.

"Disse bestræbelser er for store for én institution alene," sagde Weber. "Du taler med forskellige mennesker, og du deler byrden. Det er en udfordring at arbejde med mange mennesker, men det er den eneste måde, og det er rart at se, at forskellige ideer kommer sammen med succes."

Leveret af Fermi National Accelerator Laboratory