Neutrino's zijn subtiele subatomaire deeltjes die volgens wetenschappers een sleutelrol spelen in de evolutie van ons universum. Ze stromen continu van kernreacties in onze zon en andere sterren, maar gaan door bijna alles - zelfs ons lichaam en de aarde zelf - zonder een spoor achter te laten. Wetenschappers die deze eigenaardige, lichtgewicht deeltjes moeten extreem gevoelige detectoren bouwen.

Een revolutionair nieuw soort neutrinodetector, gedeeltelijk ontworpen door wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), zit in het hart van het MicroBooNE-experiment in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE. In twee nieuwe kranten de MicroBooNE-samenwerking beschrijft hoe ze deze detector gebruiken om de veelbetekenende tekenen van neutrino's op te pikken. De papers bevatten details van de signaalverwerkingsalgoritmen die essentieel zijn om de subtiele interacties van neutrino's met atomen in de detector nauwkeurig te reconstrueren.

Volgens natuurkundige Xin Qian, leider van de MicroBooNE-fysicagroep van Brookhaven Lab, "Het werk samengevat in deze documenten, waaronder vergelijkingen van recent verzamelde experimentele gegevens met simulaties van detectorsignalen en ruis, toont een uitstekend begrip van MicroBooNE's millimeter-resolutie detectorprestaties. Dit inzicht biedt een solide basis voor het gebruik van deze detectortechnologie voor nauwkeurige natuurkundige metingen, niet alleen in MicroBooNE, maar ook in toekomstige experimenten, zoals het Deep Underground Neutrino Experiment."

Dynamische detector

Het centrale deel van de MicroBooNE-detector is een vloeistof-argon-tijdprojectiekamer (LArTPC) - een tank ter grootte van een bus gevuld met argon (vloeistof op een bijtende -303 graden Fahrenheit gehouden) en bekleed met elektronica die is ontworpen om in die extreem koude omgeving te werken . Deze assemblage werkt als een krachtige tomografische 3D digitale camera om de banen van deeltjes vast te leggen die worden gegenereerd wanneer neutrino's interageren met argonatomen in de tank.

De neutrino's, die in drie "smaken" komen (elektron, muon, en tau), afkomstig zijn van een protonenversneller bij Fermilab. Meestal varen ze door de detector. Maar af en toe, een neutrino treft een argonkern in de LArTPC. Die interactie produceert een aantal andere deeltjes, waarvan sommige elektrische lading dragen. Terwijl deze geladen deeltjes door de tank ritselen, zij ioniseren, of schop elektronen af, andere argonatomen op hun pad. De verdreven elektronen worden gevangen in het krachtige elektrische veld rond de tank en drijven naar een reeks draden die netjes zijn gerangschikt in drie verschillend georiënteerde vlakken aan één uiteinde - de anode. Elektronica in de tank verzamelt en versterkt signalen die worden gegenereerd door elektronen die de draden raken en stuurt die signalen naar buiten om te worden opgenomen. Door de timing en locaties van deze signalen te volgen, de detector kan beelden construeren van de banen van de elektronen om informatie te onthullen over de energie en smaak van het neutrino dat elke reeks gebeurtenissen op gang bracht.

"Het ontvouwen van het ionisatiesignaal op het anodevlak is analoog aan het verwerken van fotografische film in een donkere kamer, behalve in plaats van chemische middelen en oplossingen passen natuurkundigen signaalverwerkingsalgoritmen toe om het beeld van de neutrino-interactie te reconstrueren, " zei Brooke Russell, een afgestudeerde student aan de Yale University die momenteel gestationeerd is in Brookhaven Lab.

Signaalverwerking

Maar net zoals het belangrijk is om de chemie goed te krijgen bij het verwerken van film, neutrino-tracking-wetenschappers worden geconfronteerd met uitdagingen bij het ontwikkelen van hun algoritmen.

Voor een ding, de stromen die worden geïnduceerd door drijvende ionisatie-elektronen zijn over het algemeen klein van grootte en kunnen verder worden verminderd als de elektronen gedurende een langere periode bij de draden aankomen. In aanvulling, de "golfvorm" van de stroom die wordt geproduceerd door een set drijvende elektronen kan worden tenietgedaan door die van een andere set elektronen die later arriveert - zoals oceaangolven die worden afgevlakt wanneer de hoge toppen van de ene golf op één lijn liggen met de lage punten van een andere. Dit maakt het bijzonder moeilijk om de kleine signalen te onderscheiden van "achtergrondruis" - elektronische vervormingen die worden gegenereerd door overtollige lading die is opgeslagen op de draden die worden gebruikt om de signalen te dragen, de externe voedingen die het elektrische veld van de detector genereren, of andere bronnen.

Door een deel van de elektronica in de vloeibare argonkamer te houden, wordt ruis geminimaliseerd door de afstand die signalen moeten afleggen voordat ze worden uitgelezen, te verkleinen. Zoals Brian Kirby, postdoctoraal onderzoeksmedewerker van Brookhaven Lab, opmerkte:deze geluidsarme "koude elektronica, " ontworpen door Brookhaven's Instrumentation Division, zijn een cruciale technologie voor grote LArTPC's. "Ze vereenvoudigen het detectorontwerp en bieden de elektronische ruisprestaties die nodig zijn om volledig gebruik te maken van inductiedraadvliegtuigsignalen, " hij zei.

Een tweede uitdaging is dat drijvende elektronen stroom kunnen induceren over een uitgestrektheid van verschillende nabijgelegen draden, het introduceren van de mogelijkheid dat de golfvorm die wordt geproduceerd door elektronen die door een bepaalde draad gaan, een golfvorm kan annuleren die wordt geproduceerd door elektronen die een nabijgelegen draad passeren. Deze annuleringen zijn afhankelijk van de verdeling van ionisatie-elektronen, leidt tot zeer complexe signalen.

Om deze uitdaging aan te gaan, de MicroBooNE-samenwerking ontwikkelde een nieuw algoritme om de verdeling van elektronen te extraheren uit de gemeten geïnduceerde stroom op de draden. De basis van het algoritme is een wiskundige techniek genaamd deconvolutie, die het "signaal" aanzienlijk vereenvoudigde door de zeer complexe inductierespons van de vloeibare argonkamer te verwijderen, zodat wetenschappers de locatie en distributie kunnen extraheren van elektronen die bij de draadvlakken aankomen.

Deze deconvolutie wordt uitgevoerd in twee dimensies (2-D). Volgens Brookhaven postdoctoraal onderzoeksmedewerker Hanyu Wei, de eerste 'D' is een algemene wiskundige analyse van de golfvorm in de tijd, en de tweede 'D' houdt rekening met het langeafstandseffect van de inductiesignalen over meerdere draden. Door specifieke "interessegebieden" in het signaal te identificeren, de wetenschappers kunnen ook de vergroting van laagfrequente ruis van de deconvolutietechniek verminderen.

MicroBooNE is de eerste detector die het aantal gedetecteerde elektronen over de drie draadvlakken van een LArTPC kan evenaren.

"Aangezien dezelfde clusters van zwevende elektronen worden gedetecteerd door elk van de draadvlakken, je zou verwachten dat je van elk vliegtuig dezelfde hoeveelheid lading zou meten, " zei Michael Mooney, een voormalig Brookhaven Lab postdoctoraal onderzoeksmedewerker die nu een nieuw faculteitslid is aan de Colorado State University. Maar vanwege de complexiteit van de signalen in de inductiedraadvlakken, geen enkele eerdere LArTPC-detector heeft dit kunnen doen.

"Onze gegevensgestuurde demonstratie dat lokale ladingsvergelijking tussen vlakken haalbaar is in een LArTPC, opent deuren naar nieuwe soorten reconstructietechnieken die eerst gericht zijn op het creëren van een 3D-beeld van de neutrino-argon-interactie - en zou ons vermogen aanzienlijk kunnen verbeteren om de eigenschappen van het neutrino precies te bepalen, ' zei Mooney.

Simulaties versus gegevens

Het MicroBooNE-team ontwikkelde ook aanzienlijk verbeterde simulaties van verwachte TPC-signalen en ruis - rekening houdend met het bovengenoemde lange-afstands-inductie-effect en de exacte positie van het afdrijvende elektron in een draadgebied - en gebruikte deze nieuwe simulaties om hun signaalverwerkingsalgoritme kwantitatief te evalueren. Het vergelijken van de simulaties met resultaten die zijn geëxtraheerd uit echte gegevens leverde consistente resultaten op, wat een cruciale stap is in de richting van het gebruik van de detector voor natuurkundestudies.

"De consistentie tussen de nieuwe simulatie en de gegevens geeft ons het vertrouwen dat we onze detector op het fundamentele niveau begrijpen, wat van cruciaal belang is voor aanstaande natuurkundige analyses in MicroBooNE, " zei Brookhaven Lab-natuurkundige Chao Zhang.

Brookhaven Lab-fysicus Brett Viren merkte op:"De mogelijkheid om zowel ruis als signalen van LArTPC-draden nauwkeuriger te simuleren, stelt ons in staat reconstructietechnieken te valideren en hun efficiëntie kwantitatief te evalueren. Deze verbeteringen zullen ook het gebruik van deze simulaties en moderne machine learning-technieken vergemakkelijken - die trainingssets moeten hebben die het echte werk nauw nabootsen - om de nauwkeurigheid van de LArTPC-detector te verbeteren."

Het team heeft software ontwikkeld voor zowel het signaalverwerkingsalgoritme als de verbeterde signaal- en ruissimulaties in een 'Wire-Cell Toolkit'. Dit softwarepakket kan draaien op conventionele centrale verwerkingseenheid (CPU) computerarchitecturen en kan ook worden geconfigureerd voor de zeer parallelle architecturen van high-performance computersystemen (HPC).

"Al deze prestaties op het gebied van signaalverwerking, simulatie, en gegevenssimulatievergelijking brengen ons dichter bij het realiseren van het volledige potentieel van LArTPC-detectortechnologie, " zei Brookhaven's Qian. "We kijken nu uit naar de opwindende resultaten die zullen komen van MicroBooNE.

"In aanvulling, de vooruitgang bij MicroBooNE vormt de basis voor detectie- en signaalverwerkingstechnieken die zullen worden gebruikt met grotere LArTPC-detectoren, waaronder die welke worden ontwikkeld voor DUNE, die naar verwachting medio 2020 online zal komen."

Voor DUN, Fermilab's Long-Baseline Neutrino Facility zal een straal neutrino's door de aarde schieten van Illinois naar een oude goudmijn diep onder de grond in South Dakota. Maximaal vier detectoren in de grot zullen voortbouwen op het vermogen van MicroBoone om deeltjes met hoge precisie te volgen door kolossale tanks te hebben met elk 100 keer het volume dat de positie van deeltjes tot op een paar millimeter nauwkeurig kan bepalen.

"LArTPC-detectoren zijn de enige technologie die deze precisie op deze grote schaal kan bereiken. Dat maakt ze echt revolutionair, ' zei Qian.