Långt innan Deep Underground Neutrino Experiment gör sina första mätningar i ett försök att utöka vår förståelse av universum, banar en prototyp för en av experimentets detektorer nya spår inom neutrinodetektionsteknik.
DUNE, som för närvarande är under uppbyggnad, kommer att bli ett massivt experiment som sträcker sig över 800 miles. En stråle av neutriner som kommer från det amerikanska energidepartementets Fermi National Accelerator Laboratory kommer att passera genom en partikeldetektor som är placerad på Fermilab-platsen och sedan färdas genom marken till en enorm detektor vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota.
Närdetektorn består av en uppsättning partikeldetekteringssystem. En av dem, känd som ND-LAr, kommer att ha en tidsprojektionskammare för flytande argon för att registrera partikelspår; den kommer att placeras i en behållare full med flytande argon. När en neutrino kolliderar med en av partiklarna som utgör argonatomer, genererar kollisionen fler partiklar. När varje partikel som skapas i kollisionen färdas ut ur kärnan, interagerar den med närliggande atomer och tar bort några av deras elektroner, vilket leder till produktion av detekterbara signaler i form av ljus och laddning.
ND-LAr är optimerad för att se båda dessa typer av signaler. DUNE-forskare valde flytande argon för ett av närdetektorsystemen så att de kan göra direkta, en-till-en-jämförelser när de analyserar resultaten från både ND-LAr och fjärrdetektorn, som också är beroende av flytande argon för partikeldetektering.
Prototypen för ND-LAr fick sitt namn, 2×2-prototypen, eftersom dess fyra moduler är arrangerade i en kvadrat. Den slutliga versionen av ND-LAr kommer att innehålla 35 moduler, var och en något större än de som används för prototypen. Snart kommer 2×2-prototypen att installeras under jord i vägen för Fermilabs NuMI neutrinostråle för testning.
"Vi kommer att lägga detta i vad som för närvarande är världens mest intensiva neutrinostråle", säger Juan Pedro Ochoa-Ricoux, professor vid University of California, Irvine som är med och leder dataanalyssatsningen för 2×2 prototyp. "Vi kommer att kunna testa vår prototyp under realistiska omständigheter."
2×2-prototypen, och så småningom ND-LAr själv, kommer att upptäcka neutrinostrålen nära dess mest intensiva punkt.
När en stråle av protoner från en accelerator kolliderar med ett mål, skapar den en spray av andra laddade partiklar som snabbt sönderfaller till andra partiklar, inklusive neutriner. Strålen av laddade partiklar som används för att generera neutriner är hårt fokuserad, men när denna neutrinostråle skapas kan de inte längre styras eller fokuseras, eftersom de inte har någon laddning. När strålen färdas genom rymden sprids neutrinerna ut och strålen blir mindre tät.
"Det är lite som en ficklampa:När du riktar en ficklampa mot en vägg, om du är nära väggen, ser du en liten cirkel, men om du kommer bort från väggen blir cirkeln större och större och större ", sa Ochoa-Ricoux.
Eftersom närdetektorn kommer att vara nära källan till neutrinostrålen, kommer den att ta upp fler neutrinointeraktioner i ett mindre utrymme än vad den bortre detektorn kommer att göra. Detta kraftfulla inflöde av neutriner innebär vissa utmaningar för att effektivt registrera neutrinointeraktionerna i ND-LAr. Medan den bortre detektorn kanske bara tar upp en neutrino åt gången, kommer närdetektorn att se många fler neutrinos interagera.
"Alla dessa interaktioner sker praktiskt taget samtidigt," sa Ochoa-Ricoux. "Vi måste kunna reda ut alla dessa interaktioner."
Lyckligtvis har forskare vid University of Bern och DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory arbetat med nya konstruktioner och teknologier för en flytande-argondetektor som är mer lämpad för denna höga densitet av neutriner.
Teamet vid universitetet i Bern utvecklade en ny design för detektorer för flytande argon neutrino. Istället för bara en stor volym flytande argon delar denna design upp detektorn i moduler.
Den nya designen resulterar inte bara i ett kortare avstånd för avskalade elektroner att driva mot den detekterande ytan, utan ger också en bättre förståelse för var neutrinointeraktionerna sker. Att göra modulerna mindre visar ljuset som produceras i en neutrinointeraktion i en viss enhet, vilket minskar dess placering.
En modulär design innebär också att färre interaktioner sker i varje modul. Som ett resultat är det lättare att para ihop detekteringen av ljuset och de laddade partiklarna för att förstå neutrinointeraktionen. Den här typen av detektorer kan mer effektivt hantera många interaktioner som sker på kort tid.
Dessa två konsekvenser av en delad detektor gör den idealisk för ND-LAr, eftersom denna design möjliggör en mer exakt tredimensionell bild av var en neutrinointeraktion inträffade, säger Michele Weber, professor vid universitetet i Bern som arbetar med prototypdetektorn designa och leda ND-LAr-satsningen.
"Det är fantastiskt att se ett koncept som utvecklats vid vårt universitet hitta applikation i DUNE genom ett samarbete med Fermilab," sa Weber. "En utmaning som vi var tvungna att ta itu med för att veta vilken signal som hör till vilken interaktion är att förbättra 3D-vyn av varje interaktion."
Samtidigt har ett annat team på Berkeley Lab skapat en ny typ av signalavläsningssystem som kan hantera den enorma mängd data som förväntas i närdetektorn.
Traditionellt har flytande argontidprojektionskammare, eller LArTPC, använt en serie skiktade ledningar tvärs över detektorns sida för att fånga upp signalen från avskalade elektroner som frigörs i en interaktion mellan en neutrino och argon. Genom att kombinera signalerna som samlas in av lagren av trådar, som ger en serie tvådimensionella projektioner, tillhandahålls tillräckligt med information för att rekonstruera en tredimensionell bild av interaktionen.
Men när det finns många neutrino-argon-interaktioner i detektorn – ett fenomen som kallas neutrino pileup – ger detta avläsningssystem inte lika tydlig bild, säger Brooke Russell, en Chamberlain-stipendiat vid Berkeley Lab som arbetar med 2× 2 prototyp.
Istället använder det avläsningssystem som utvecklats vid Berkeley Lab en helt pixlad avläsning, vilket innebär att varje fysisk kanal i detektorn motsvarar en digital avläsningskanal. Genom att använda denna array av pixlar direkt visas den tredimensionella platsen för interaktionen och kan lösa alla de många neutrinointeraktioner som sker nästan samtidigt.
"Detta har stora konsekvenser för de typer av signaler som vi konstruerar och intensiteten av aktivitet som vi kan vara toleranta mot," sa Russell. "Med DUNE nära detektorn, för första gången, är vi i en regim där vi har neutrino-pileup. En sådan avläsning är absolut nödvändig för att rekonstruera neutrinohändelserna."
Modulerna för prototypen byggdes och testades vid universitetet i Bern, skickades sedan till Fermilab och testades igen innan de installerades. Förberedelser pågår för prototypens installation i slutet av året för att testa neutrino-detekteringen när NuMI-strålen slås på igen i vinter.
Experimentets installationsteam kommer att placera prototypdetektorn i en kryogent kyld behållare och lägga den mellan två återanvända detektordelar från det pensionerade MINERvA neutrinoexperimentet på Fermilab. MINERvA mätte neutrinointeraktioner från 2010 till 2019.
Eftersom ND-LAr-prototypdetektorn inte är särskilt stor, kan den inte mäta hela vägen för vissa av partiklarna som skapas när neutriner interagerar med argon. Anmärkningsvärda exempel är myoner, som vanligtvis reser långa sträckor innan de stannar. Det är där de gamla MINERvA-detektorkomponenterna kommer in i bilden. Genom att använda dessa komponenter för att spåra myoner som lämnar prototypdetektorn, kan forskare skilja myoner från laddade pioner, en annan typ av subatomära partiklar.
Att placera prototypen mellan MINERvA-segmenten hjälper också till att identifiera myoner som passerar men som inte har sitt ursprung i detektorn, vilket särskiljer dem från myonerna som kommer inifrån detektorn som en produkt av neutrinointeraktioner.
"Vi kan använda MINERvA-planen för att hjälpa oss spåra neutriner som samverkade i berget uppströms om detektorn och skapade myoner som gick in i detektorn", säger Jen Raaf, chef för Neutrino Division på Fermilab som koordinerar 2×2-prototypprojektet . "Vi kommer att kunna koppla ihop spåren för att identifiera de [som inte har sitt ursprung i detektorn] och bli av med dem, för det är inte det vi är intresserade av."
MINERvA-planen tillåter också forskarna att spåra partiklar som skapats i neutrinointeraktioner i LArTPC, men som lämnar argonvolymen innan de stannar. "MINERvA kommer att tillåta oss att spåra dessa spännande partiklar och mäta deras energi," sa Raaf, "så att vi kan få en exakt uppskattning av neutrinons energi när den interagerade i LArTPC."
När 2×2-prototypen testas i neutrinostrålen kommer den inte bara att säkerställa att prototypen fungerar korrekt, utan forskare kan också utföra neutrinofysikexperiment, sa Ochoa-Ricoux.
Även om det fullskaliga DUNE-experimentet inte kommer att börja fungera på flera år, sa han, "kommer vi redan att producera några viktiga fysikresultat med den här prototypen."
Några av dessa pre-DUNE-experiment i 2×2-prototypen inkluderar att studera reaktionerna mellan neutrinos och argon, och mäta tvärsnitt, eller sannolikheten för partikelinteraktioner.
Mellan den modulära designen och pixelavläsningen kommer ND-LAr att vara unik bland flytande argon-neutrinodetektorer. Det betyder att att bygga och testa en prototyp är avgörande för att säkerställa att den innovativa designen fungerar som förväntat. När en ny teknik byggs måste forskare testa varje steg i konstruktionen för att visa dess kapacitet, sa Weber.
"ND-LAr har en atypisk design," sa Russell. "Vi vill validera att några av designprinciperna som vi tror kommer att fungera faktiskt kommer att fungera."
Det är också viktigt att en prototyp byggs tillräckligt stor för att säkerställa att den slutliga utrustningen är möjlig att konstruera och installera, sa Raaf.
"Att göra något i mindre skala, men tillräckligt stort för att du skulle kunna identifiera svårigheter i konstruktion och montering, är ett riktigt viktigt steg i alla partikelfysikexperiment", sa hon. "Du vill ha något som är tillräckligt stort för att uppleva de olika sakerna du måste göra, som att använda en kran för att plocka upp det och kunna flytta det på vissa sätt."
DUNE-samarbetet är organiserat i konsortier som fokuserar på olika aspekter av projektet. Utvecklingen av 2×2-prototypen är en del av ND-LAr Consortium, där University of Bern och Berkeley Lab endast är två bland dussintals institutioner.
"Alla dessa människor deltar i den här prototypen på någon nivå, för att se till att det de har föreställt sig för den fullstora saken faktiskt fungerar i mindre skala och att vi inte behöver justera någonting," sa Raaf. "Det kanske vi gör, vilket är bra – det är därför vi gör prototyper. Vi träffas varje vecka och diskuterar, hur går det? Vad behöver vi göra härnäst? Vad gick bra? Vad kan vi förbättra?"
För en så här stor uppgift är samarbete mellan flera institutioner nödvändigt, sade Weber, som fungerar som ledare för ND-LAr-konsortiet. Mellan Fermilabs neutrinostråle, University of Berns modulära detektorkoncept, Berkeley Labs avläsningsteknologi och databehandling och analys som äger rum vid många institutioner, tar varje samarbetspartner i ND-LAr Consortium sina unika möjligheter till detta projekt.
"Dessa ansträngningar är för stora för enbart en institution," sa Weber. "Du pratar med olika människor, och du delar på belastningen. Det är en utmaning att arbeta med många människor, men det är det enda sättet, och det är trevligt att se olika idéer komma samman framgångsrikt."
Tillhandahålls av Fermi National Accelerator Laboratory
