DUNE-samarbetet har publicerat sin första vetenskapliga artikel baserad på data som samlats in med ProtoDUNE enfasdetektorn som finns på CERNs Neutrino-plattform. Resultaten visar att detektorn fungerar med mer än 99 % effektivitet, gör den inte bara till den största, men också den bäst presterande vätske-argon-tidprojektionskammaren hittills. Forskare använder nu sina resultat för att förfina sina experimentella tekniker och förbereda sig för konstruktionen av det internationella Deep Underground Neutrino Experiment vid Long-Baseline Neutrino Facility, ett nästa generations neutrino-experimentprogram som arrangeras av Department of Energys Fermilab i USA.

"De här första resultaten är fantastiska nyheter för oss, " sa DUNEs medtalesperson Stefan Söldner-Rembold, professor vid University of Manchester i Storbritannien. "De visar att ProtoDUNE-SP-detektorn fungerar ännu bättre än väntat. Nu är vi redo för konstruktionen av de första komponenterna till DUNE-detektorn, som kommer att innehålla detektormoduler baserade på denna prototyp, men 20 gånger större."

DUNE är ett ambitiöst internationellt experiment som ska mäta egenskaperna hos små fundamentala partiklar som kallas neutriner. Neutrinos är den vanligaste materiepartikeln i universum, men eftersom de sällan interagerar med andra partiklar, de är otroligt svåra att studera. Det finns minst tre olika typer av neutriner, och, varje sekund, 65 miljarder av dem passerar varje kvadratcentimeter av jorden. När de reser, de gör något märkligt:​​De förändras från en typ till en annan. Forskare tror att dessa neutrinoscillationer – såväl som svängningar som involverar antimateria neutrinos – kan hjälpa till att svara på några av de stora frågorna inom fysiken, såsom den observerade asymmetrin mellan materia och antimateria i universum. DUNE kommer också att leta efter neutriner från supernovor och söka efter sällsynta subatomära processer som protonsönderfall.

"ProtoDUNE-SP visar att vi kan skala upp den här typen av teknologi till den storlek och upplösning vi behöver för att äntligen sätta neutriner under ett mycket kraftfullt mikroskop, sa Marzio Nessi, samordnare för CERN Neutrino Platform.

Att exakt mäta dessa svängningar kommer att begränsa och till och med utesluta vissa teoretiska modeller och öppna nya vägar för att upptäcka och utforska sällsynta subatomära fenomen. Men för att få de exakta måtten, forskare behöver otroligt stora, känsliga och pålitliga detektorer.

"ProtoDUNE-resultaten visar att vi har designat en detektor som gör att vi kan nå våra vetenskapsmål i DUNE, sade Elizabeth Worcester, en vetenskapsman vid Department of Energy's Brookhaven National Laboratory och DUNE-fysikkoordinator.

DUNE är designad för att avslöja naturen hos neutrinoscillationer genom att avfyra en intensiv neutrinosstråle från Fermilab nära Chicago genom 1, 300 kilometer (800 miles) av jorden och in i fyra gigantiska underjordiska detektormoduler som ligger 1,5 kilometer djupa vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Två ProtoDUNE-detektorer vid CERN - en baserad på en enfas och den andra baserad på en tvåfas flytande-argon-teknologi - är ett steg mot att bygga de enorma DUNE-detektormodulerna, var och en fylld med 17, 000 ton flytande argon. DUNE Technical Design Report, publicerades i februari, är ritningen för att bygga dessa moduler.

På CERN, DUNE-forskare från hela världen använde kosmisk strålning och en 800-GeV teststråle för att utvärdera ProtoDUNE-SP-detektorn. Teststrålen från CERNs SPS-accelerator passerade genom två separata mål för att skapa strålar av elektroner, protoner och andra typer av partiklar. Partikeldetektorer placerade strax utanför ProtoDUNE mätte energin och identiteten hos dessa teststrålepartiklar innan de kom in i ProtoDUNE-SP. Inuti detektorn, känsliga plan av ledningar varvat med fotondetektorer hänger inuti 800 ton transparent, flytande argon. När en passerande partikel interagerar med argon, den slår lösa elektroner som dras av ett elektriskt högspänningsfält över flera meter till trådplanen nära detektorväggarna. Från signalen på ledningarna, forskare skapar en 3D-bild av partikelns bana och kan bestämma dess energi och identitet. Genom att jämföra denna information inifrån ProtoDUNE-SP med de kända egenskaperna hos den ursprungliga teststrålepartikeln, de kunde exakt kalibrera apparaten och optimera den komplexa rekonstruktionsmjukvaran.

Precis som kvaliteten på ett foto varierar avsevärt beroende på kvaliteten på en fotografs kamera och redigeringsprogram, kvaliteten på fysikdata är bara så bra som detektorn och dess rekonstruktionsverktyg. Forskare som arbetar på ProtoDUNE-SP har lärt sig av tidigare neutrinoexperiment och har uppnått en prestandanivå som tidigare var omöjlig. Alla detektordata innehåller små variationer, kallas buller, som ibland kan vara svåra att skilja från de signaler som skapas av partiklar. Detta är ett vanligt problem i alla fysikexperiment, och forskare funderar ständigt på innovativa sätt att förbättra datakvaliteten genom en kombination av att öka styrkan på signalen och minska mängden brus. I denna första DUNE-tidning, forskare visar hur de kunde uppnå ett signal-brusförhållande på 50 till 1, vilket tidigare var omöjligt att uppnå för vätske-argon-tidprojektionskammare. De utvärderade också detektorns tillförlitlighet och fann att mer än 99 % av dess 15, 360-detektorkanaler fungerar som de ska.

"Om vissa kanaler i en detektor inte fungerar, forskare får luckor i sina data, sa Tingjun Yang, en DUNE-samarbetspartner på Fermilab som ledde ProtoDUNE-dataanalysen. "Dataanalysverktyg kan hjälpa till att täppa till dessa luckor, men det finns en gräns. Antalet inaktiva kanaler i ProtoDUNE är mindre än 1 %, ger oss en mycket effektiv återuppbyggnad av evenemang. ProtoDUNE-SP visar att vi kan nå och överträffa våra fysikmål."