Het is 2019. We willen onze mobiele telefoons snel, onze computers sneller en schermen zo helder dat ze wedijveren met een ochtend in de bergen. We zijn een digitale samenleving, en wazige foto's van aardappelcamera's zullen het niet redden voor de massa. natuurkundigen, het blijkt, zijn niet anders - en ze willen diezelfde scherpe snap van hun neutrino-detectoren.

Cue ArgonCube:een prototype-detector in ontwikkeling die een nog steeds ontluikende technologie naar nieuwe hoogten brengt met een plan om deeltjessporen vast te leggen die die 4K-tv waardig zijn. Het geheim in zijn hart? Het draait allemaal om de pixels.

Maar laten we twee stappen terug doen. Argon is een element dat ongeveer 1 procent uitmaakt van de zoete lucht die je inademt. In de afgelopen decennia is de vloeibare vorm van argon is uitgegroeid tot het favoriete medium voor neutrinodetectoren. Neutrino's zijn die vervelende fundamentele deeltjes die zelden met iets interageren, maar de sleutel kunnen zijn om te begrijpen waarom er zoveel materie in het universum is.

Grote detectoren vol koude, dicht argon biedt veel atoomkernen waar neutrino's tegenaan kunnen lopen en ermee kunnen communiceren, vooral wanneer versneller-operators stralen verzenden met triljoenen van de kleine dingen. Wanneer de neutrino's interageren, ze creëren buien van andere deeltjes en lichten die de elektronica in de detector opvangt en omzet in beelden.

Elke afbeelding is een momentopname die een interactie vastlegt door een van de meest mysterieuze, vluchtig, ongrijpbare deeltjes die er zijn; een deeltje dat Wolfgang Pauli veroorzaakte, toen hij het in 1930 voorstelde, te betreuren dat hij dacht dat onderzoekers het nooit zouden kunnen ontdekken.

Huidige state-of-the-art vloeibare-argon neutrino detectoren—grote spelers zoals MicroBooNE, ICARUS en ProtoDUNE - gebruiken draden om de elektronen op te vangen die door neutrino-interacties zijn losgeslagen. Uitgestrekte vlakken van duizenden draden doorkruisen de detectoren, elke set verzamelt coördinaten die door algoritmen worden gecombineerd tot 3D-reconstructies van de interactie van een neutrino.

Deze instellingen zijn effectief, goed begrepen en een geweldige keuze voor grote projecten - en je wordt niet veel groter dan het internationale Deep Underground Neutrino-experiment dat wordt georganiseerd door Fermilab.

DUNE zal onderzoeken hoe de drie bekende soorten neutrino's veranderen als ze lange afstanden afleggen, het verder onderzoeken van een fenomeen dat neutrino-oscillaties wordt genoemd. Wetenschappers sturen elke seconde biljoenen neutrino's van Fermilab op een 1, Reis van 300 kilometer door de aarde - geen tunnel nodig - naar South Dakota. DUNE zal draadkamers gebruiken in enkele van de vier enorme verre detectormodules, elk met meer dan 17, 000 ton vloeibare argon.

Maar wetenschappers moeten ook de bundel neutrino's meten als het Fermilab verlaat, waar de DUNE near-detector dicht bij de neutrinobron zal zijn en meer interacties zal zien.

"We verwachten dat de straal zo intens zal zijn dat je een dozijn neutrino-interacties per straalpuls zult hebben, en deze zullen allemaal overlappen binnen uw detector, " zei Dan Dwyer, een wetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory die aan ArgonCube werkt. Het is een uitdaging om een ​​groot aantal gebeurtenissen te ontwarren met behulp van de 2D-draadbeeldvorming. "De nabije detector zal een nieuwe reeks complexiteit zijn."

En nieuwe complexiteit, in dit geval, betekent het ontwikkelen van een nieuw soort vloeistof-argondetector.

Pixel me dit

Mensen hadden eerder gedacht aan het maken van een gepixelde detector, maar het is nooit van de grond gekomen.

"Dit was een droom, " zei Antonio Ereditato, vader van de ArgonCube-samenwerking en een wetenschapper aan de Universiteit van Bern in Zwitserland. "We ontwikkelden dit originele idee in Bern, en het was duidelijk dat hij alleen kon vliegen met de juiste elektronica. Zonder het, dit zou slechts wishful thinking zijn geweest. Onze collega's uit Berkeley hadden precies wat nodig was."

Pixels zijn klein, en neutrino-detectoren zijn dat niet. Je kunt ongeveer 100 passen, 000 pixels per vierkante meter. Elk is een uniek kanaal dat - als het eenmaal is uitgerust met elektronica - informatie kan geven over wat er in de detector gebeurt. Om gevoelig genoeg te zijn, de kleine elektronica moet vlak naast de pixels in het vloeibare argon zitten. Maar dat vormt een uitdaging.

"Als ze zelfs maar de stroom van je standaard elektronica zouden gebruiken, je detector zou gewoon koken, " zei Dwyer. En een vloeistof-argondetector werkt alleen als de argon blijft ... nou ja, vloeistof.

Dus stelden Dwyer en ASIC-ingenieur Carl Grace van Berkeley Lab een nieuwe aanpak voor:wat als ze elke pixel latent?

"Als het signaal bij de pixel aankomt, het wordt wakker en zegt:"Hallo, hier is een signaal, "" legde Dwyer uit. "Dan neemt het het signaal op, stuurt het uit en gaat weer slapen. We hebben de hoeveelheid stroom drastisch kunnen verminderen."

Met minder dan 100 microwatt per pixel, deze oplossing leek een veelbelovend ontwerp dat de detector niet in een toren van gas zou veranderen. Ze stelden een op maat gemaakt prototypecircuit samen en begonnen te testen. Het nieuwe elektronica-ontwerp werkte.

De eerste test was slechts 128 pixels, maar de zaken werden snel opgeschaald. Het team begon in december 2016 aan de pixeluitdaging. In januari 2018 waren ze met hun chips naar Zwitserland gereisd, installeerde ze in de vloeibare-argon-testdetector gebouwd door de Bern-wetenschappers en verzamelde hun eerste 3D-beelden van kosmische straling.

"Het was schok en vreugde, ' zei Dwyer.

Voor de aanstaande installatie bij Fermilab, medewerkers hebben nog meer elektronica nodig. De volgende stap is om samen te werken met fabrikanten in de industrie om de chips en uitleesborden die ongeveer een half miljoen pixels aankunnen, commercieel te fabriceren. En Dwyer heeft een Department of Energy Early Career Award ontvangen om zijn onderzoek naar de pixelelektronica voort te zetten, als aanvulling op de Zwitserse SNSF-subsidie ​​voor de Bern-groep.

"We proberen dit volgens een zeer agressief schema te doen - het is weer een gekke dash, "Zei Dwyer. "We hebben een geweldig team samengesteld op ArgonCube en hebben fantastisch werk geleverd door te laten zien dat we deze technologie kunnen laten werken voor de DUNE-nabijdetector. En dat is belangrijk voor de natuurkunde, aan het einde van de dag."

Meer innovaties in het verschiet

Terwijl de pixel-gecentreerde elektronica van ArgonCube opvalt, het zijn niet de enige technologische innovaties die wetenschappers van plan zijn te implementeren voor de aanstaande buurtdetector van DUNE. Er is onderzoek en ontwikkeling gaande naar een nieuw soort lichtdetectiesysteem en nieuwe technologie om het elektrische veld vorm te geven dat het signaal naar de elektronica trekt. En, natuurlijk, daar zijn de modules.

De meeste vloeibare-argondetectoren gebruiken een grote container gevuld met de argon en niet te veel anders. De signalen drijven over lange afstanden door de vloeistof naar de lange draden die aan één kant van de detector zijn gespannen. Maar ArgonCube gaat voor iets veel modulairs, het opbreken van de detector in kleinere eenheden die nog steeds in de omringende cryostaat zitten. Dit heeft bepaalde voordelen:het signaal hoeft niet zo ver te reizen, het argon hoeft niet zo zuiver te zijn om het signaal zijn bestemming te laten bereiken, en wetenschappers kunnen indien nodig individuele modules ophalen en repareren.

"Het is een beetje ingewikkelder dan de typische, draadgebaseerde detector, " zei Min Jeong Kim, die het team van Fermilab leidt dat aan de cryogene technologie werkt en betrokken zal zijn bij de mechanische integratie van de ArgonCube-prototype-testbank. "We moeten uitzoeken hoe deze modules zullen communiceren met het cryogene systeem."

Dat betekent dat je alles moet uitzoeken, van het vullen van de detector met vloeibare argon en het handhaven van de juiste druk tijdens bedrijf tot het goed filteren van onzuiverheden uit het argon en het circuleren van de vloeistof rond (en door) de modules om een ​​gelijkmatige temperatuurverdeling te behouden.

Het ArgonCube-prototype dat aan de Universiteit van Bern wordt geassembleerd, loopt tot het einde van het jaar voordat het naar Fermilab wordt verscheept en 100 meter onder de grond wordt geïnstalleerd. waardoor het het eerste grote prototype voor DUNE is dat naar Fermilab is gestuurd en is getest met neutrino's. Na het uitwerken van zijn knikken, onderzoekers kunnen het ontwerp afronden en de volledige ArgonCube-detector bouwen.

Extra instrumentatie en componenten zoals een gas-argonkamer en een bundelspectrometer zullen de nabije detector afronden.

Het is een spannende tijd voor de 100 natuurkundigen van 23 instellingen die aan ArgonCube werken - en voor de meer dan 1 000 neutrinofysici uit meer dan 30 landen werken aan DUNE. Wat begon als wishful thinking is werkelijkheid geworden - en niemand weet hoe ver de pixeltechnologie kan gaan.

Ereditato droomt er zelfs van om het ontwerp van een van de vier massieve DUNE verre detectormodules te vervangen door een gepixelde versie. Maar één ding tegelijk, hij zegt.

"Op dit moment concentreren we ons op het bouwen van de best mogelijke buurtdetector voor DUNE, Ereditato zei. "Het is een lange weg geweest, met veel betrokkenen, maar de vloeistof-argontechnologie is nog jong. ArgonCube-technologie is het bewijs dat de techniek de potentie heeft om in de toekomst nog beter te presteren."