Ett experiment för att fånga oöverträffade 3D -bilder av banor för laddade partiklar har demonstrerats med hjälp av kosmiska strålar när de slår och färdas genom en kryostat fylld med massor av flytande argon. Resultaten bekräftar möjligheterna hos en ny detektorteknik för partikelfysik som utvecklats av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i samarbete med flera universitet och industriella partner.

Banbrytande i skala för denna nya teknik, experimentet vid universitetet i Bern, Schweiz-fjärrstyrt på grund av COVID-19-pandemin-visar beredskap för ett mycket större och mer ambitiöst projekt:Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), sa Berkeley Lab -forskaren och teamledaren Dan Dwyer.

På bara några få år, Berkeley Lab -teamet har förvandlat ett ambitiöst koncept som kallas LArPix (flytande argonpixlar) till verklighet, Sa Dwyer. "Vi har övervunnit utmaningar inom buller, Energiförbrukning, kryogen kompatibilitet, och senast skalbarhet/tillförlitlighet genom att överföra många aspekter av denna teknik till industriell tillverkning. "

DUNE är en stor ny vetenskaplig anläggning som byggs av US Department of Energy (DOE) för att studera egenskaperna hos subatomära neutrinoer som kommer att skjutas av under jord från en accelerator vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) nära Chicago, Dwyer förklarade. Neutrinoer är extremt lätta partiklar som interagerar svagt med materia - något forskare skulle vilja förstå bättre i sin strävan att svara på grundläggande frågor om universum.

Neutrinos som produceras av Fermilab -acceleratorn kommer att passera genom en nära detektor, instrumenterad med LArPix, på Fermilab-webbplatsen innan de gick vidare för att slutföra sin 700 mil långa resa vid en djup underjordisk gruva i South Dakota.

LArPix är ett steg framåt i hur man upptäcker och registrerar signaler i flytande argontidsprojektionskammare (LArTPC), en valfri teknik för framtida experiment med neutrino och mörk materia, Dwyer förklarade.

I en LArTPC, energiska subatomära partiklar kommer in i kammaren och frigör eller joniserar elektroner i den flytande argonen. En stark, externt applicerat elektriskt fält driver elektronerna mot en anodsida av detektorkammaren där vanligtvis ett ledarplan fungerar som känsliga antenner för att läsa dessa signaler och skapa stereoskopiska 2D -bilder av händelsen. Men denna teknik räcker inte för att klara intensiteten och komplexiteten hos neutrinohändelserna som ska läsas för DUNE Near Detector, Sa Dwyer.

"Så, det är där vi på Berkeley Lab kommer in med den här riktiga 3D -pixelavläsningen från LArPix, "Dwyer sa." Det kommer att tillåta oss att föreställa DUNE neutrinoer med hög trohet i en mycket hektisk miljö. "

Med LArPix, han förklarade, trådarnas plan ersätts med matriser av metalliska pixlar tillverkade på vanliga elektroniska kretskort, som enkelt kan tillverkas. Elektroniken med låg effekt, han sa, är kompatibla med kraven på det kryogena tillståndet hos det flytande argonmediet.

Denna senaste prestation hade inte varit möjlig utan det starka partnerskapet med ArgonCube Collaboration, ett team av forskare fokuserade på att främja LArTPC -teknik, centrerad vid universitetet i Bern. För Bern -experimenten, forskarna använde en detektorkammare med 80, 000 pixlar nedsänkta i massor av flytande argon vid -330 grader Fahrenheit. Systemet, han sa, med hög trohet, sann 3D-avbildning av kosmiska strålduschar när de reste genom detektorn.

"Detta är en viktig milstolpe i utvecklingen av LArTPC och DUNE Near Detector, "sade Michele Weber, Direktör för Laboratory for High Energy Physics vid University of Bern som också fungerar som ledare för DUNE International Consortium som ansvarar för att bygga denna detektor.

"Det är mycket mer komplicerat än någonting som någonsin har byggts för LArTPC, "sa Brooke Russell, en postdoktor på Berkeley Lab och medlem i LArPix -teamet. Med 80, 000 kanaler, Hon sa, LArPix-körningen i Bern överträffade den tidigare toppmoderna 15, 000 kanal LArTPC. "Komplexiteten från trådar till pixlar växte exponentiellt, " Hon sa.

Partners från UC Berkeley, Caltech, Colorado State University, Rutgers, UC Davis, UC Irvine, UC Santa Barbara, UPenn, och University of Texas i Arlington hjälpte forskarna att utveckla och testa detta mycket större system.

För DUNE, Dwyer sa, systemet måste skala till mer än 10 miljoner pixlar som kommer att sitta i cirka 300 ton flytande argon. Han sa att detta är genomförbart både på grund av detektorkamrarnas modulära karaktär samt förmågan att kakla LArPix -kort som består av tusentals individuella pixeldetektorer.

"Denna teknik kommer att göra det möjligt för DUNE Near Detector att övervinna signalhögen som härrör från neutrino-strålens höga intensitet på platsen, "Sa Dwyer." Det kan också komma att användas i DUNE Far Detectors, andra fysiska experiment, såväl som icke-fysiska applikationer, " han sa.

Vid DUNE Far Detectors, forskare kommer att mäta hur neutrinoernas kvantsmak förändras vid transitering från den närmaste detektorn.

Genom att studera neutrinoer, "vi tror att vi kan lära oss något om universums djupare mysterier - särskilt sådana frågor om varför det finns mer materia än antimateria i universum, "Förklarade Dwyer.

För att DUNE ska lyckas, partikelfysiker "behövde ett tänkande utanför boxen när det gäller detektorteknik, "Sade Russell." För alla genombrott inom experimentell partikelfysik behöver du naturligtvis nya idéer, "tillade hon." Men om din hårdvara inte kan leverera kan du helt enkelt inte göra mätningen. "