Det är 2019. Vi vill ha våra mobiltelefoner snabbt, våra datorer snabbare och skärmar så skarpa att de konkurrerar en morgon i bergen. Vi är ett digitalt samhälle, och suddiga foton från potatis-kameror kommer inte att klippa det för massorna. Fysiker, det visar sig, är inte annorlunda - och de vill ha samma skarpa snäpp från sina neutrino -detektorer.

Cue ArgonCube:en prototypdetektor under utveckling som tar en fortfarande växande teknik till nya höjder med en plan för att fånga partikelspår som är värda den 4K-TV:n. Hemligheten i hjärtat? Det handlar om pixlarna.

Men låt oss ta två steg tillbaka. Argon är ett element som utgör cirka 1 procent av den söta luften du andas. Under de senaste decennierna har den flytande formen av argon har vuxit till det valda mediet för neutrino -detektorer. Neutrinos är de irriterande grundpartiklarna som sällan interagerar med någonting men som kan vara nyckeln till att förstå varför det finns så mycket materia i universum.

Stora detektorer fulla av kyla, tätt argon ger massor av atomkärnor för neutrinoer att stöta på och interagera med - särskilt när acceleratoroperatörer skickar strålar som innehåller biljoner av de små sakerna. När neutrinoerna interagerar, de skapar duschar av andra partiklar och ljus som elektroniken i detektorn fångar upp och omvandlar till bilder.

Varje bild är en ögonblicksbild som fångar en interaktion med en av de mest mystiska, flyktig, svårfångade partiklar där ute; en partikel som orsakade Wolfgang Pauli, när jag föreslog det 1930, att beklaga att han trodde att experimenterande aldrig skulle kunna upptäcka det.

Nuvarande state-of-the-art flytande argon neutrino detektorer-stora aktörer som MicroBooNE, ICARUS och ProtoDUNE - använd trådar för att fånga elektronerna som slogs loss av neutrino -interaktioner. Stora plan med tusentals trådar korsar detektorerna, varje uppsättning samlar koordinater som kombineras av algoritmer till 3D-rekonstruktioner av en neutrinos interaktion.

Dessa inställningar är effektiva, väl förstådd och ett bra val för stora projekt-och du blir inte mycket större än det internationella Deep Underground Neutrino Experiment som arrangeras av Fermilab.

DUNE kommer att undersöka hur de tre kända typerna av neutrinoer förändras när de reser långa sträckor, vidare utforska ett fenomen som kallas neutrinooscillationer. Forskare skickar biljoner neutrinoer från Fermilab varannan sekund, 300 kilometer resa genom jorden-ingen tunnel behövs-till South Dakota. DUNE kommer att använda trådkammare i några av de fyra enorma fjärrdetektormodulerna, var och en rymmer mer än 17, 000 ton flytande argon.

Men forskare måste också mäta strålen av neutrinos när den lämnar Fermilab, där DUNE nära detektorn kommer att vara nära neutrino -källan och se fler interaktioner.

"Vi förväntar oss att strålen ska vara så intensiv att du kommer att ha ett dussin neutrino -interaktioner per strålpuls, och dessa överlappar alla i din detektor, "sa Dan Dwyer, en forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory som arbetar på ArgonCube. Att försöka koppla bort ett stort antal händelser med hjälp av 2-D trådbildning är en utmaning. "Nästan detektorn kommer att bli en ny komplexitet."

Och ny komplexitet, I detta fall, innebär att utveckla en ny typ av vätske-argondetektor.

Pixelera mig detta

Folk hade tänkt på att göra en pixelerad detektor tidigare, men det kom aldrig av marken.

"Det här var en dröm, "sade Antonio Ereditato, far till ArgonCube -samarbetet och forskare vid universitetet i Bern i Schweiz. "Vi utvecklade denna ursprungliga idé i Bern, och det var klart att den bara kunde flyga med rätt elektronik. Utan det, detta hade bara varit önsketänkande. Våra kollegor från Berkeley hade precis vad som krävdes. "

Pixlarna är små, och neutrino -detektorer är det inte. Du kan passa ungefär 100, 000 pixlar per kvadratmeter. Var och en är en unik kanal som - när den väl är utrustad med elektronik - kan ge information om vad som händer i detektorn. För att vara tillräckligt känslig, den lilla elektroniken måste sitta bredvid pixlarna i det flytande argonet. Men det innebär en utmaning.

"Om de använde ens ström från din vanliga elektronik, din detektor skulle bara koka, "Sa Dwyer. Och en vätskeargondetektor fungerar bara när argonen förblir ... ja, flytande.

Så Dwyer och ASIC -ingenjören Carl Grace på Berkeley Lab föreslog ett nytt tillvägagångssätt:Tänk om de lämnade varje pixel vilande?

"När signalen kommer till pixeln, den vaknar och säger, "Hallå, det finns en signal här, "" Förklarade Dwyer. "Sedan registrerar den signalen, skickar ut det och somnar om. Vi kunde drastiskt minska mängden ström. "

Med mindre än 100 mikrovatt per pixel, den här lösningen verkade som en lovande design som inte skulle göra detektorn till ett gastorn. De tog ihop en anpassad prototypkrets och började testa. Den nya elektronikdesignen fungerade.

Det första testet var bara 128 pixlar, men sakerna skalades snabbt. Teamet började arbeta med pixelutmaningen i december 2016. I januari 2018 hade de rest med sina marker till Schweiz, installerade dem i vätske-argontestdetektorn som byggdes av Bern-forskarna och samlade deras första 3D-bilder av kosmiska strålar.

"Det var chock och glädje, "Sa Dwyer.

För den kommande installationen på Fermilab, samarbetspartners kommer att behöva ännu mer elektronik. Nästa steg är att arbeta med tillverkare inom industrin för att kommersiellt tillverka chips och avläsningskort som kommer att hålla cirka en halv miljon pixlar. Och Dwyer har fått ett Department of Energy Early Career Award för att fortsätta sin forskning om pixelelektronik, kompletterar det schweiziska SNSF -bidraget för Bern -gruppen.

"Vi försöker göra det här på ett mycket aggressivt schema - det är ännu ett galet streck, "Dwyer sa." Vi har satt ihop ett riktigt bra team på ArgonCube och gjort ett bra jobb med att visa att vi kan få denna teknik att fungera för DUNE -detektorn. Och det är viktigt för fysiken, Vid slutet av dagen."

Fler innovationer framöver

Medan den pixelcentrerade elektroniken hos ArgonCube sticker ut, de är inte de enda tekniska innovationer som forskare planerar att genomföra för den kommande nära detektorn i DUNE. Det finns forskning och utveckling om en ny typ av ljusdetekteringssystem och ny teknik för att forma det elektriska fältet som drar signalen till elektroniken. Och, självklart, det finns modulerna.

De flesta flytande argondetektorer använder en stor behållare fylld med argon och inte för mycket annat. Signalerna driver långa sträckor genom vätskan till de långa trådarna som sträcker sig över ena sidan av detektorn. Men ArgonCube går för något mycket mer modulärt, bryta upp detektorn i mindre enheter som fortfarande finns i den omgivande kryostaten. Detta har vissa fördelar:Signalen behöver inte resa så långt, argonen behöver inte vara lika ren för att signalen ska nå sin destination, och forskare kan eventuellt hämta och reparera enskilda moduler om det behövs.

"Det är lite mer komplicerat än det vanliga, trådbaserad detektor, "sa Min Jeong Kim, som leder teamet på Fermilab som arbetar med cryogenics och kommer att vara involverad i den mekaniska integrationen av ArgonCube prototyp teststativ. "Vi måste ta reda på hur dessa moduler kommer att samverka med det kryogena systemet."

Det innebär att räkna ut allt från att fylla detektorn med flytande argon och bibehålla rätt tryck under drift till korrekt filtrering av föroreningar från argon och cirkulation av vätskan runt (och genom) modulerna för att upprätthålla en jämn temperaturfördelning.

ArgonCube -prototypen som monteras vid universitetet i Bern kommer att köras fram till slutet av året innan den skickas till Fermilab och installeras 100 meter under jorden, vilket gör den till den första stora prototypen för DUNE skickad till Fermilab och testad med neutrinoer. Efter att ha tränat ut sina knäckar, forskare kan slutföra designen och bygga hela ArgonCube -detektorn.

Ytterligare instrumentering och komponenter som en gas-argonkammare och en strålspektrometer kommer att runda av den närmaste detektorn.

Det är en spännande tid för de 100-vissa fysikerna från 23 institutioner som arbetar på ArgonCube-och för mer än 1, 000 neutrinofysiker från över 30 länder som arbetar på DUNE. Det som började som önsketänkande har blivit verklighet - och ingen vet hur långt pixeltekniken kan gå.

Ereditato drömmer till och med om att ersätta designen av en av de fyra massiva DUNE -fjärrdetektormodulerna med en pixelerad version. Men en sak i taget, han säger.

"Just nu koncentrerar vi oss på att bygga den bästa möjliga nära detektorn för DUNE, "Sa Ereditato." Det har varit en lång väg, med många inblandade, men vätske-argontekniken är fortfarande ung. ArgonCube -tekniken är ett bevis på att tekniken har potential att prestera ännu bättre i framtiden. "