Hur ser man en subatomär neutrino i en "höstack" av partiklar som strömmar från rymden? Det är den skrämmande utsikten för fysiker som studerar neutriner med detektorer nära jordens yta. Med liten eller ingen avskärmning på sådana icke-underjordiska platser, ytbaserade neutrinodetektorer, söker vanligtvis efter neutriner som produceras av partikelacceleratorer, bombarderas av kosmiska strålar - obevekliga regnskurar av subatomära och nukleära partiklar som produceras i jordens atmosfär genom interaktioner med partiklar som strömmar från mer avlägsna kosmiska platser. Dessa rika resenärer, mestadels myoner, skapa en väv av korsande partikelspår som lätt kan skymma en sällsynt neutrino-händelse.

Lyckligtvis, fysiker har utvecklat verktyg för att tona ner det kosmiska "bruset".

Ett team med fysiker från det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory beskriver tillvägagångssättet i två artiklar som nyligen accepterats att publiceras i Fysisk granskning tillämpas och den Journal of Instrumentation (JINST) . Dessa artiklar visar forskarnas förmåga att extrahera tydliga neutrinosignaler från MicroBooNE-detektorn vid DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Metoden kombinerar CT-skannerliknande bildrekonstruktion med datasiftningstekniker som gör att acceleratorproducerade neutrinosignaler sticker ut 5 till 1 mot den kosmiska strålens bakgrund.

"Vi utvecklade en uppsättning algoritmer som minskar den kosmiska strålens bakgrund med en faktor 100, 000, " sa Chao Zhang, en av Brookhaven Lab-fysikerna som hjälpte till att utveckla datafiltreringsteknikerna. Utan filtrering, MicroBooNE skulle se 20, 000 kosmiska strålar för varje neutrinointeraktion, han sa. "Detta papper visar den avgörande förmågan att eliminera kosmisk strålbakgrund."

Bonnie Fleming, en professor vid Yale University som är en medtalesman för MicroBooNE, sa, "Detta arbete är avgörande både för MicroBooNE och för det framtida amerikanska neutrinoforskningsprogrammet. Dess inverkan kommer att sträcka sig särskilt utöver användningen av denna "Wire-Cell" analysteknik, även på MicroBooNE, där andra rekonstruktionsparadigm har antagit dessa datasorteringsmetoder för att dramatiskt minska kosmisk strålbakgrund."

Spåra neutriner

MicroBooNE är en av tre detektorer som bildar det internationella Short-Baseline Neutrino-programmet på Fermilab, var och en ligger på olika avstånd från en partikelaccelerator som genererar en noggrant kontrollerad neutrinostråle. De tre detektorerna är designade för att räkna upp olika typer av neutriner på ökande avstånd för att leta efter avvikelser från vad som förväntas baserat på blandningen av neutriner i strålen och vad som är känt om neutrinos "oscillation". Oscillation är en process genom vilken neutriner byter identiteter mellan tre kända typer, eller "smaker". Att upptäcka avvikelser i antalet neutrinor kan peka på en ny okänd oscillationsmekanism - och möjligen en fjärde neutrinosort.

Forskare från Brookhaven Lab spelade en stor roll i utformningen av MicroBooNE-detektorn, speciellt den känsliga elektroniken som fungerar i detektorns superkalla vätske-argonfyllda tidsprojektionskammare. När neutriner från Fermilabs accelerator kommer in i kammaren, då och då interagerar en neutrino med en argonatom, sparkar ut vissa partiklar ur dess kärna – en proton eller en neutron – och genererar andra partiklar (myoner, pioner) och en ljusblixt. De laddade partiklarna som sparkas ut joniserar argonatomer i detektorn, slå några av deras elektroner ur bana. Elektronerna som bildas längs dessa joniseringsspår plockas upp av detektorns känsliga elektronik.

"Hela spåret av elektroner driver längs ett elektriskt fält och passerar genom tre på varandra följande plan av ledningar med olika orienteringar i ena änden av detektorn, " sa Zhang. "När elektronerna närmar sig ledningarna, de inducerar en signal, så att varje uppsättning ledningar skapar en 2D-bild av banan från en annan vinkel."

Under tiden, ljusblixtarna som skapas vid tidpunkten för neutrinointeraktionen plockas upp av fotomultiplikatorrör som ligger bortom trådarrayerna. Dessa ljussignaler berättar för forskare när neutrinointeraktionen ägde rum, och hur lång tid det tog spåren att komma fram till trådflygplanen.

Datorer översätter den timingen till avstånd och sätter ihop 2D-spårbilderna för att rekonstruera en 3D-bild av neutrinointeraktionen i detektorn. Banans form berättar forskarna vilken smak av neutrino som utlöste interaktionen.

"Denna 3D "Wire-Cell" bildrekonstruktion liknar medicinsk bildbehandling med en datortomografi (CT) skanner, " förklarade Zhang. I en CT-skanner, sensorer fångar ögonblicksbilder av kroppens inre strukturer från olika vinklar och datorer sätter ihop bilderna. "Föreställ dig partikelspåren som går genom de tre trådplanen som en person som går in i skannern, " han sa.

Att reda ut det kosmiska nätet

Det låter nästan enkelt — om du glömmer bort de tusentals kosmiska strålarna som strömmar genom detektorn samtidigt. Deras joniseringsspår driver också genom skanningsledningarna, skapa bilder som ser ut som en trasslig väv. Det är därför MicroBooNE-forskare har arbetat med sofistikerade "triggers" och algoritmer för att sålla igenom data så att de kan extrahera neutrinosignalerna.

Senast 2017, de hade gjort betydande framsteg med att reducera bruset från kosmisk strålning. Men även då, kosmiska strålar överträffade neutrinospår med cirka 200 till 1. De nya tidningarna beskriver ytterligare tekniker för att minska detta förhållande, och vänd den till den punkt där neutrinosignaler i MicroBooNE nu sticker ut 5 till 1 mot den kosmiska strålens bakgrund.

Det första steget innefattar att matcha signalerna som avslöjas av partiklar som genereras i neutrinointeraktioner med de exakta ljusblixtarna som plockas upp av fotomultiplikatorrören från den interaktionen.

"Det här är inte lätt!" sa Brookhaven Lab-fysiker Xin Qian. "Eftersom tidsprojektionskammaren och fotomultiplikatorrören är två olika system, vi vet inte vilken blixt som motsvarar vilken händelse i detektorn. Vi måste jämföra ljusmönstren för varje fotomultiplikatorrör med alla platserna för dessa partiklar. Om du har gjort all matchning korrekt, du hittar ett enda 3D-objekt som motsvarar en enda ljusblixt som mäts av fotomultiplikatorrören."

Brooke Russell, som arbetade med analysen som Yale-student och är nu postdoktor vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory, upprepade dessa kommentarer om utmaningen att matcha ljus. "Med tanke på att avgiftsinformationen i vissa fall inte är helt komplementär till den lätta informationen, det kan finnas oklarheter i laddnings-ljus-parningar på en enkel avläsningsbasis. Algoritmerna som utvecklats av teamet hjälper till att redogöra för dessa nyanser, " Hon sa.

Fortfarande, forskarna måste sedan jämföra tidpunkten för varje spår med tiden som acceleratorneutriner emitterades (en faktor de känner till eftersom de styr acceleratorstrålen). "Om timingen är konsekvent, då är det en möjlig neutrinointeraktion, sa Qian.

Algoritmen som utvecklats av Brookhaven-teamet sänker förhållandet till en neutrino för var sjätte kosmisk strålhändelse.

Att avvisa ytterligare kosmiska strålar blir lite lättare med en algoritm som eliminerar spår som helt passerar detektorn.

"De flesta kosmiska strålar går genom detektorn från topp till botten eller från ena sidan till den andra, sa Xiangpan Ji, en Brookhaven Lab postdoc som arbetar med denna algoritm. "Om du kan identifiera punkten för in- och utfart från banan, du vet att det är en kosmisk stråle. Partiklar som bildas av neutrinointeraktioner måste börja i mitten av detektorn där den interaktionen äger rum."

Det bringar förhållandet mellan neutrinointeraktioner och kosmisk strålning till 1:1.

En ytterligare algoritm skärmar bort händelser som börjar utanför detektorn och stoppas någonstans i mitten - som liknar neutrinohändelser men rör sig i motsatt riktning. Och ett sista finjusteringssteg utesluter händelser där ljusblixtarna inte stämmer överens med händelser, för att få upptäckten av neutrinohändelser till den anmärkningsvärda nivån 5 till 1 jämfört med kosmiska strålar.

"Detta är en av de mest utmanande analyserna jag har arbetat med, sa Hanyu Wei, Brookhaven Labs postdoktor som leder analysarbetet. "Tidsprojektionskammaren för flytande argon är en ny detektorteknologi med många överraskande funktioner. Vi var tvungna att uppfinna många originella metoder. Det var verkligen en laginsats."

Zhang ekade den känslan och sa:"Vi förväntar oss att detta arbete avsevärt kommer att öka potentialen för MicroBooNE-experimentet att utforska den spännande fysiken vid korta baslinjer. vi ser fram emot att implementera dessa tekniker i experiment på alla tre kortbaslinje neutrinodetektorer för att se vad vi lär oss om neutrinoscillationer och den möjliga existensen av en fjärde neutrinotyp."