Neutrinos är subtila subatomära partiklar som forskare tror spelar en nyckelroll i utvecklingen av vårt universum. De strömmar kontinuerligt från kärnreaktioner i vår sol och andra stjärnor men passerar genom nästan allt - även våra kroppar och jorden själv - utan att lämna spår. Forskare som vill studera dessa speciella, lätta partiklar måste bygga extremt känsliga detektorer.

En revolutionerande ny sorts neutrino -detektor, delvis designad av forskare från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory, sitter i hjärtat av MicroBooNE -experimentet på DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). I två nya tidningar, MicroBooNE -samarbetet beskriver hur de använder denna detektor för att fånga upp de signaler som visar neutrinoer. Tidningarna innehåller detaljer om signalbehandlingsalgoritmerna som är avgörande för att exakt rekonstruera neutrinos subtila interaktioner med atomer i detektorn.

Enligt fysikern Xin Qian, ledare för Brookhaven Labs MicroBooNE -fysikgrupp, "Arbetet sammanfattat i dessa papper, som inkluderar jämförelser av nyligen insamlade experimentella data med simuleringar av detektorsignaler och brus, visar en utmärkt förståelse för MicroBooNE:s millimeterupplösta detektorprestanda. Denna förståelse ger en solid grund för att använda denna detektorteknik för precisionsfysiska mätningar, inte bara i MicroBooNE utan även i framtida experiment, till exempel Deep Underground Neutrino Experiment. "

Dynamisk detektor

Den centrala delen av MicroBooNE-detektorn är en vätske-argontidsprojektionskammare (LArTPC)-en bussstorlekstank fylld med argon (hålls vätska vid en bitande -303 grader Fahrenheit) och fodrad med elektronik utformad för att fungera i den extremt kalla miljön . Denna enhet fungerar som en kraftfull tomografisk 3D-kamera för att fånga banor av partiklar som genereras när neutrinos interagerar med argonatomer i tanken.

Neutrinoerna, som finns i tre "smaker" (elektron, muon, och tau), härstammar från en protonaccelerator vid Fermilab. Mestadels seglar de vidare genom detektorn. Men ibland, en neutrino träffar en argonkärna i LArTPC. Denna interaktion producerar ett antal andra partiklar, varav några bär elektrisk laddning. När dessa laddade partiklar glider genom tanken, de joniserar, eller sparka av elektroner, andra argonatomer i deras väg. De avsatta elektronerna fastnar i det kraftfulla elektriska fältet som omger tanken och driver mot en rad trådar som är snyggt placerade i tre olika orienterade plan i ena änden - anoden. Elektronik inuti tanken samlar och förstärker signaler som genereras av elektroner som träffar trådarna och skickar ut dessa signaler för att registreras. Genom att spåra tidpunkten och platsen för dessa signaler, detektorn kan konstruera bilder av elektronernas banor för att avslöja information om energin och smaken hos neutrino som utlöste varje händelsekedja.

"Upprullning av joniseringssignalen vid anodplanet är analogt med att bearbeta fotografisk film i ett mörkt rum, förutom i stället för kemiska medel och lösningar tillämpar fysiker signalbehandlingsalgoritmer för att rekonstruera bilden av neutrino-interaktionen, "sa Brooke Russell, en doktorand vid Yale University för närvarande stationerad vid Brookhaven Lab.

Signalbehandling

Men precis som det är viktigt att få rätt kemi vid filmbehandling, neutrino-tracking forskare står inför utmaningar när det gäller att utveckla sina algoritmer.

För en sak, de strömmar som induceras av drivande joniseringselektroner är i allmänhet små i storlek och kan reduceras ytterligare om elektronerna anländer till trådarna under en längre tid. Dessutom, "vågformen" av strömmen som produceras av en uppsättning drivande elektroner kan avbrytas av en annan uppsättning elektroner som kommer senare - som havsvågor som blir platta ut när en vågs höga toppar ligger i linje med en annan lågpunkt. Detta gör det särskilt svårt att skilja de små signalerna från bakgrundsbrus - elektroniska störningar som genereras av överladdning lagrad på trådarna som används för att bära signalerna, de externa nätaggregaten som genererar detektorns elektriska fält, eller andra källor.

Att hålla en del av elektroniken inne i den flytande argonkammaren hjälper till att minimera buller genom att minska avståndssignalerna som måste färdas innan de läses ut. Som Brookhaven Lab postdoktoral forskningsassistent Brian Kirby noterade, dessa lågljudiga "kallelektronik, "designad av Brookhaven's Instrumentation Division, är en avgörande teknik för stora LArTPC. "De förenklar detektorns design och tillhandahåller den elektroniska brusprestanda som krävs för att till fullo använda induktionsledningssignaler, " han sa.

En andra utmaning är att drivande elektroner kan inducera ström över en yta av flera närliggande ledningar, introducerar möjligheten att vågformen som produceras av elektroner som passerar en viss tråd kan avbryta en som produceras av elektroner som passerar en närliggande tråd. Dessa avbokningar beror på fördelningen av joniseringselektroner, vilket leder till mycket komplexa signaler.

För att hantera denna utmaning, MicroBooNE -samarbetet utvecklade en ny algoritm för att extrahera fördelningen av elektroner från den uppmätta inducerade strömmen på trådarna. Grunden för algoritmen är en matematisk teknik som kallas deconvolution, vilket förenklade "signalen" genom att ta bort det mycket komplexa induktionssvaret för den flytande argonkammaren, så forskare kan extrahera platsen och distributionen av elektroner som kommer till trådplanen.

Denna upplösning utförs i två dimensioner (2-D). Enligt Brookhaven postdoktorala forskningsassistent Hanyu Wei, den första 'D' är en vanlig matematisk analys av vågformen över tid, och det andra 'D' tar hänsyn till induktionssignalernas långdistanseffekt över flera ledningar. Genom att identifiera specifika "regioner av intresse" i signalen, forskarna kan också mildra förstoringen av lågfrekvent brus från dekonvolutionstekniken.

MicroBooNE är den första detektorn som kan matcha antalet detekterade elektroner över de tre trådplanen i en LArTPC.

"Eftersom samma kluster av drivande elektroner detekteras av vart och ett av trådplanen, du förväntar dig att mäta lika mycket laddning från varje plan, "sa Michael Mooney, en tidigare Brookhaven Lab postdoktoral forskningsassistent som nu är ny fakultetsmedlem vid Colorado State University. Men på grund av komplexiteten hos signalerna i induktionstrådplanen, ingen tidigare LArTPC -detektor har kunnat göra detta.

"Vår datadrivna demonstration av att lokal överensstämmelse mellan laddningar är möjlig i en LArTPC öppnar dörrar till nya typer av rekonstruktionstekniker som först syftar till att skapa en 3D-bild av neutrino-argon-interaktionen-och kan kraftigt förbättra vår förmåga för att exakt bestämma egenskaperna hos neutrino, Sa Mooney.

Simuleringar vs. data

MicroBooNE-teamet utvecklade också signifikant förbättrade simuleringar av förväntade TPC-signaler och brus-med beaktande av den ovannämnda långdistansinduktionseffekten och den exakta drivande elektronens position inom en trådregion-och använde dessa nya simuleringar för att kvantitativt utvärdera deras signalbehandlingsalgoritm. Jämförelse av simuleringarna med resultat extraherade från verkliga data gav konsekventa resultat, vilket är ett avgörande steg mot att använda detektorn för fysikstudier.

"Konsistensen mellan den nya simuleringen och data ger oss förtroende för att vi förstår vår detektor på grundläggande nivå, vilket är avgörande för kommande fysikanalyser i MicroBooNE, "sa Brookhaven Lab -fysikern Chao Zhang.

Brookhaven Lab -fysikern Brett Viren noterade, "Möjligheten att tillhandahålla mer exakt simulering av både brus och signaler från LArTPC -ledningar gör att vi kan validera rekonstruktionstekniker och kvantitativt utvärdera deras effektivitet. Dessa förbättringar kommer också att underlätta användningen av dessa simuleringar och moderna maskininlärningstekniker - som måste ha träningsuppsättningar som efterlikna det verkliga - att förbättra LArTPC -detektorns noggrannhet. "

Teamet har utvecklat programvara för både signalbehandlingsalgoritmen och de förbättrade signal- och brussimuleringarna i en "Wire-Cell Toolkit". Det här mjukvarupaketet kan köras på konventionella datorbearbetningsarkitekturer (Central Processing Unit) och kan också konfigureras för mycket parallella arkitekturer i högpresterande datorsystem (HPC).

"Alla dessa prestationer inom signalbehandling, simulering, och jämförelse av datasimulering tar oss närmare att förverkliga den fulla potentialen i LArTPC-detektorteknik, "sa Brookhaven's Qian." Vi ser nu fram emot de spännande resultaten som kommer från MicroBooNE.

"Dessutom, framstegen på MicroBooNE bygger grunden för detekterings- och signalbehandlingstekniker som kommer att användas med större LArTPC-detektorer-inklusive de som utvecklas för DUNE, som är planerad att komma online i mitten av 2020-talet. "

För DUNE, Fermilabs Long-Baseline Neutrino Facility kommer att skjuta en stråle neutrinoer genom jorden från Illinois till en gammal guldgruva djupt under jorden i South Dakota. Upp till fyra detektorer i grottan kommer att bygga vidare på MicroBoones förmåga att spåra partiklar med hög precision genom att ha kolossala tankar var och en med 100 gånger volymen som kan fästa partiklarnas positioner inom ett par millimeter.

"LArTPC -detektorer är den enda tekniken som kan uppnå denna precision i stor skala. Det är det som gör dem verkligt revolutionerande, Sa Qian.