Een experiment om ongekende 3D-beelden van de banen van geladen deeltjes vast te leggen, is aangetoond met behulp van kosmische straling terwijl ze toeslaan en reizen door een cryostaat gevuld met een ton vloeibaar argon. De resultaten bevestigen de mogelijkheden van een nieuwe detectortechnologie voor deeltjesfysica, ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in samenwerking met verschillende universitaire en industriële partners.

Baanbrekend in schaal voor deze nieuwe technologie, het experiment aan de Universiteit van Bern, Zwitserland – op afstand bestuurd vanwege de COVID-19-pandemie – toont bereidheid voor een veel groter en ambitieuzer project:het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), zei Berkeley Lab-wetenschapper en teamleider Dan Dwyer.

In slechts een paar jaar tijd, het Berkeley Lab-team heeft een ambitieus concept genaamd LArPix (vloeibare argonpixels) gerealiseerd, zei Dwyer. "We hebben uitdagingen in lawaai overwonnen, energieverbruik, cryogene compatibiliteit, en meest recent schaalbaarheid/betrouwbaarheid door vele aspecten van deze technologie over te dragen naar industriële fabricage."

DUNE is een belangrijke nieuwe wetenschappelijke faciliteit die wordt gebouwd door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) om de eigenschappen te bestuderen van subatomaire neutrino's die ondergronds zullen worden afgevuurd vanuit een versneller in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE in de buurt van Chicago, legde Dwyer uit. Neutrino's zijn extreem lichte deeltjes die een zwakke wisselwerking hebben met materie - iets wat onderzoekers graag beter zouden begrijpen in hun zoektocht om fundamentele vragen over het universum te beantwoorden.

Neutrino's geproduceerd door de Fermilab-versneller gaan door een nabije detector, geïnstrumenteerd met LArPix, op de Fermilab-site voordat ze verder gingen om hun 700 mijl lange reis te voltooien in een diepe ondergrondse mijn in South Dakota.

LArPix is ​​een sprong voorwaarts in het detecteren en opnemen van signalen in vloeibare argon-tijdprojectiekamers (LArTPC's), een technologie bij uitstek voor toekomstige experimenten met neutrino's en donkere materie, legde Dwyer uit.

In een LArTPC, energetische subatomaire deeltjes komen de kamer binnen en maken elektronen vrij of ioniseren ze in het vloeibare argon. Een sterke, extern aangelegd elektrisch veld drijft de elektronen naar een anodezijde van de detectorkamer waar typisch een vlak van draden fungeert als gevoelige antennes om deze signalen te lezen en stereoscopische 2D-beelden van de gebeurtenis te creëren. Maar deze technologie is niet voldoende om de intensiteit en complexiteit van de neutrino-gebeurtenissen aan te kunnen die moeten worden gelezen voor de DUNE Near Detector, zei Dwyer.

"Dus, dat is waar wij bij Berkeley Lab binnenkomen met deze echte 3D-pixeluitlezing geleverd door LArPix, "Zei Dwyer. "Het stelt ons in staat om DUNE-neutrino's met hoge betrouwbaarheid af te beelden in een zeer drukke omgeving."

Met behulp van LArPix, hij legde uit, de vlakken van draden worden vervangen door arrays van metalen pixels die zijn gefabriceerd op standaard elektronische printplaten, die gemakkelijk kan worden vervaardigd. De low-power elektronica, hij zei, zijn compatibel met de eisen van de cryogene toestand van het vloeibare argonmedium.

Deze laatste prestatie zou niet mogelijk zijn geweest zonder de sterke samenwerking met de ArgonCube Collaboration, een team van wetenschappers gericht op het bevorderen van LArTPC-technologie, gecentreerd aan de Universiteit van Bern. Voor de Bern-experimenten, de onderzoekers gebruikten een detectorkamer met 80, 000 pixels ondergedompeld in een ton vloeibaar argon van -330 graden Fahrenheit. Het systeem, hij zei, verstrekt hoge betrouwbaarheid, echte 3D-beeldvorming van kosmische stralenregens terwijl ze door de detector reisden.

"Dit is een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van LArTPC's en de DUNE Near Detector, " zei Michele Weber, Directeur van het Laboratory for High Energy Physics aan de Universiteit van Bern, tevens leider van het DUNE International Consortium dat verantwoordelijk is voor de bouw van deze detector.

"Het is veel ingewikkelder dan alles dat ooit voor LArTPC's is gebouwd, " zei Brooke Russell, een postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab en lid van het LArPix-team. met 80, 000 kanalen, ze zei, de LArPix-run in Bern overtrof ver de vorige state-of-the-art 15, 000 kanaal LArTPC. "Het niveau van complexiteit van draden naar pixels groeide exponentieel, " ze zei.

Partners van UC Berkeley, Caltech, Colorado Staatsuniversiteit, Rutgers, UC Davis, UC Irvine, UC Santa Barbara, UPenn, en de Universiteit van Texas in Arlington hielp de onderzoekers bij het ontwikkelen en testen van dit veel grotere systeem.

Voor DUN, Dwyer zei, het systeem moet worden opgeschaald naar meer dan 10 miljoen pixels die in zo'n 300 ton vloeibaar argon zullen zitten. Hij zei dat dit mogelijk is, zowel vanwege het modulaire karakter van de detectorkamers als de mogelijkheid om LArPix-borden te betegelen die bestaan ​​uit duizenden individuele pixeldetectoren.

"Deze technologie stelt de DUNE Near Detector in staat om signaalophoping als gevolg van de hoge intensiteit van de neutrinostraal op de locatie te overwinnen, "Zei Dwyer. "Het kan ook worden gebruikt in de DUNE Far Detectors, andere natuurkundige experimenten, evenals niet-natuurkundige toepassingen, " hij zei.

Bij de DUNE Ver Detectors, wetenschappers zullen meten hoe de kwantumsmaak van de neutrino's verandert tijdens het transport van de nabije detector.

Door neutrino's te bestuderen, "We denken dat we iets kunnen leren over de diepere mysteries van het universum - met name vragen als waarom er meer materie is dan antimaterie in het universum, ’ legde Dwyer uit.

Om DUNE te laten slagen, deeltjesfysici "hadden buiten de gebaande paden moeten denken als het gaat om detectortechnologie, Russell zei. "Voor doorbraken in de experimentele deeltjesfysica heb je natuurlijk nieuwe ideeën nodig, " voegde ze eraan toe. "Maar als je hardware niet kan leveren, kun je de meting gewoon niet uitvoeren."