Hoe herken je een subatomair neutrino in een "hooiberg" van deeltjes die uit de ruimte stromen? Dat is het ontmoedigende vooruitzicht voor natuurkundigen die neutrino's bestuderen met detectoren in de buurt van het aardoppervlak. Met weinig tot geen afscherming op dergelijke niet-onderaardse locaties, oppervlaktegebaseerde neutrinodetectoren, meestal op zoek naar neutrino's geproduceerd door deeltjesversnellers, worden gebombardeerd door kosmische straling - meedogenloze buien van subatomaire en nucleaire deeltjes die in de atmosfeer van de aarde worden geproduceerd door interacties met deeltjes die van verder weg gelegen kosmische locaties komen. Deze overvloedige reizigers, meestal muonen, maak een web van kriskras door elkaar lopende deeltjessporen die een zeldzame neutrino-gebeurtenis gemakkelijk kunnen verdoezelen.

Gelukkig, natuurkundigen hebben hulpmiddelen ontwikkeld om het kosmische 'ruis' te dempen.

Een team met natuurkundigen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie beschrijft de aanpak in twee artikelen die onlangs zijn goedgekeurd voor publicatie in Fysieke beoordeling toegepast en de Tijdschrift voor Instrumentatie (JINST) . Deze papers demonstreren het vermogen van de wetenschappers om heldere neutrinosignalen te extraheren uit de MicroBooNE-detector in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE. De methode combineert CT-scannerachtige beeldreconstructie met data-sifting-technieken die door de versneller geproduceerde neutrinosignalen 5 tegen 1 laten opvallen tegen de achtergrond van de kosmische straling.

"We hebben een reeks algoritmen ontwikkeld die de achtergrond van de kosmische straling met een factor 100 verminderen, 000, " zei Chao Zhang, een van de natuurkundigen van Brookhaven Lab die hielpen bij het ontwikkelen van de technieken voor het filteren van gegevens. Zonder het filteren, MicroBooNE zou 20 zien, 000 kosmische straling voor elke neutrino-interactie, hij zei. "Dit artikel demonstreert het cruciale vermogen om de achtergronden van de kosmische straling te elimineren."

Bonnie Vlaming, een professor aan de Yale University die mede-woordvoerder is van MicroBooNE, zei, "Dit werk is van cruciaal belang voor zowel MicroBooNE als voor het toekomstige Amerikaanse neutrino-onderzoeksprogramma. De impact ervan zal met name verder reiken dan het gebruik van deze 'Wire-Cell'-analysetechniek, zelfs op MicroBooNE, waar andere reconstructieparadigma's deze methoden voor het sorteren van gegevens hebben overgenomen om de achtergronden van kosmische straling drastisch te verminderen."

Neutrino's volgen

MicroBooNE is een van de drie detectoren die deel uitmaken van het internationale Short-Baseline Neutrino-programma bij Fermilab, elk op een andere afstand van een deeltjesversneller die een zorgvuldig gecontroleerde neutrinostraal genereert. De drie detectoren zijn ontworpen om verschillende soorten neutrino's op steeds grotere afstanden te tellen om te zoeken naar afwijkingen van wat wordt verwacht op basis van de mix van neutrino's in de straal en wat er bekend is over neutrino "oscillatie". Oscillatie is een proces waarbij neutrino's identiteiten verwisselen tussen drie bekende typen, of 'smaken'. Het opsporen van discrepanties in het aantal neutrino's zou kunnen wijzen op een nieuw onbekend oscillatiemechanisme - en mogelijk een vierde neutrino-variëteit.

Wetenschappers van Brookhaven Lab speelden een belangrijke rol bij het ontwerpen van de MicroBooNE-detector, met name de gevoelige elektronica die werkt in de superkoude, met vloeistof-argon gevulde tijdprojectiekamer van de detector. Als neutrino's van Fermilab's versneller de kamer binnenkomen, zo nu en dan zal een neutrino interageren met een argonatoom, sommige deeltjes uit de kern schoppen - een proton of een neutron - en andere deeltjes genereren (muonen, pionen) en een lichtflits. De geladen deeltjes die eruit worden geschopt, ioniseren argonatomen in de detector, waardoor sommige van hun elektronen uit hun baan worden geslagen. De elektronen die zich langs deze ionisatiesporen vormen, worden opgepikt door de gevoelige elektronica van de detector.

"Het hele spoor van elektronen drijft langs een elektrisch veld en gaat door drie opeenvolgende vlakken van draden met verschillende oriëntaties aan één uiteinde van de detector, "Zei Zhang. "Terwijl de elektronen de draden naderen, ze wekken een signaal op, zodat elke set draden vanuit een andere hoek een 2D-beeld van de baan creëert."

In de tussentijd, de lichtflitsen die ontstaan ​​ten tijde van de neutrino-interactie worden opgepikt door fotomultiplicatorbuizen die buiten de draadarrays liggen. Die lichtsignalen vertellen wetenschappers wanneer de neutrino-interactie plaatsvond, en hoe lang het duurde voordat de sporen bij de draadvliegtuigen kwamen.

Computers vertalen die timing in afstand en voegen de 2D-spoorbeelden samen om een ​​3D-beeld van de neutrino-interactie in de detector te reconstrueren. De vorm van het spoor vertelt wetenschappers welke smaak van neutrino de interactie veroorzaakte.

"Deze 3D 'Wire-Cell'-beeldreconstructie is vergelijkbaar met medische beeldvorming met een computertomografie (CT) -scanner, " legde Zhang uit. In een CT-scanner, sensoren leggen snapshots van de interne structuren van het lichaam vanuit verschillende hoeken vast en computers voegen de beelden samen. "Stel je de deeltjessporen voor die door de drie draadvlakken gaan als een persoon die de scanner ingaat, " hij zei.

Het kosmische web ontwarren

Het klinkt bijna eenvoudig - als je de duizenden kosmische stralen vergeet die tegelijkertijd door de detector stromen. Hun ionisatiesporen drijven ook door de scandraden, afbeeldingen maken die eruitzien als een verward web. Dat is de reden waarom MicroBooNE-wetenschappers hebben gewerkt aan geavanceerde "triggers" en algoritmen om de gegevens te doorzoeken, zodat ze de neutrino-signalen kunnen extraheren.

tegen 2017, ze hadden aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verminderen van de ruis van de kosmische straling. Maar zelfs dan, kosmische straling overtrof het aantal neutrino-sporen met ongeveer 200 tot 1. De nieuwe artikelen beschrijven verdere technieken om deze verhouding te verminderen, en draai het naar het punt waar neutrinosignalen in MicroBooNE nu 5 tegen 1 opvallen tegen de achtergrond van de kosmische straling.

De eerste stap omvat het afstemmen van de signalen die worden onthuld door deeltjes die worden gegenereerd in neutrino-interacties met de exacte lichtflitsen die door de fotomultiplicatorbuizen van die interactie worden opgevangen.

"Dit is niet makkelijk!" zei Brookhaven Lab-natuurkundige Xin Qian. "Omdat de tijdprojectiekamer en de fotomultiplicatorbuizen twee verschillende systemen zijn, we weten niet welke flits overeenkomt met welke gebeurtenis in de detector. We moeten de lichtpatronen voor elke fotomultiplicatorbuis vergelijken met alle locaties van deze deeltjes. Als je alle matching correct hebt gedaan, je zult een enkel 3D-object vinden dat overeenkomt met een enkele lichtflits gemeten door de fotomultiplicatorbuizen."

Brooke Russel, die aan de analyse werkte als een afgestudeerde student van Yale en nu een postdoctoraal onderzoeker is bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE, herhaalde deze opmerkingen over de uitdaging van het matchen van licht. "Aangezien de ladingsinformatie in sommige gevallen niet volledig complementair is aan de lichtinformatie, er kunnen onduidelijkheden zijn in laadlichtparen op basis van een enkele uitlezing. De algoritmen die door het team zijn ontwikkeld, helpen om deze nuances te verklaren, " ze zei.

Nog altijd, de wetenschappers moeten dan de timing van elk spoor vergelijken met de tijd dat versnellerneutrino's werden uitgezonden (een factor die ze kennen omdat ze de versnellerstraal regelen). "Als de timing consistent is, dan is het een mogelijke neutrino-interactie, ' zei Qian.

Het door het Brookhaven-team ontwikkelde algoritme brengt de verhouding terug tot één neutrino voor elke zes kosmische stralingsgebeurtenissen.

Het afwijzen van extra kosmische straling wordt een beetje eenvoudiger met een algoritme dat sporen elimineert die de detector volledig doorkruisen.

"De meeste kosmische stralen gaan door de detector van boven naar beneden of van de ene naar de andere kant, " zei Xiangpan Ji, een Brookhaven Lab-postdoc die aan dit algoritme werkt. "Als je het punt van binnenkomst en uitgang van de baan kunt identificeren, je weet dat het een kosmische straal is. Deeltjes gevormd door neutrino-interacties moeten beginnen in het midden van de detector waar die interactie plaatsvindt."

Dat brengt de verhouding tussen neutrino-interacties en kosmische straling op 1:1.

Een extra algoritme filtert gebeurtenissen die buiten de detector beginnen en ergens in het midden worden gestopt, die lijken op neutrinogebeurtenissen, maar in de tegenovergestelde richting bewegen. En een laatste verfijningsstap sluit gebeurtenissen uit waarbij de lichtflitsen niet goed overeenkomen met gebeurtenissen, om de detectie van neutrino-gebeurtenissen op het opmerkelijke niveau van 5 op 1 te brengen in vergelijking met kosmische straling.

"Dit is een van de meest uitdagende analyses waaraan ik heb gewerkt, " zei Hanyu Wei, de postdoctorale fellow van Brookhaven Lab die de analyse-inspanningen leidde. "De vloeistof-argon-tijdprojectiekamer is een nieuwe detectortechnologie met veel verrassende eigenschappen. We moesten veel originele methoden bedenken. Het was echt een teamprestatie."

Zhang herhaalde dat sentiment en zei:"We verwachten dat dit werk het potentieel voor het MicroBooNE-experiment om de intrigerende fysica op korte basislijnen te verkennen aanzienlijk zal vergroten. Inderdaad, we kijken ernaar uit om deze technieken te implementeren in experimenten bij alle drie de neutrinodetectoren met een korte basislijn om te zien wat we leren over neutrino-oscillaties en het mogelijke bestaan ​​van een vierde neutrinotype."