Lang voordat het Deep Underground Neutrino Experiment zijn eerste metingen verricht in een poging ons begrip van het universum uit te breiden, baant een prototype van een van de detectoren van het experiment nieuwe wegen in de neutrinodetectietechnologie.

DUNE, dat momenteel in aanbouw is, zal een enorm experiment zijn dat zich over een afstand van meer dan 1300 kilometer uitstrekt. Een straal neutrino's afkomstig van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie zal door een deeltjesdetector op het Fermilab-terrein gaan en vervolgens door de grond reizen naar een enorme detector in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota.

De nabije detector bestaat uit een reeks deeltjesdetectiesystemen. Eén ervan, bekend als de ND-LAr, zal beschikken over een tijdprojectiekamer met vloeistof-argon om deeltjessporen vast te leggen; het wordt in een container vol vloeibaar argon geplaatst. Wanneer een neutrino in botsing komt met een van de deeltjes waaruit argonatomen bestaan, genereert de botsing meer deeltjes. Terwijl elk deeltje dat bij de botsing ontstaat de kern verlaat, interageert het met nabijgelegen atomen, waarbij een deel van hun elektronen wordt verwijderd, wat leidt tot de productie van detecteerbare signalen in de vorm van licht en lading.

ND-LAr is geoptimaliseerd om beide soorten signalen te zien. DUNE-wetenschappers kozen vloeibaar argon voor een van de nabije detectorsystemen, zodat ze directe, één-op-één vergelijkingen kunnen maken bij het analyseren van de resultaten van zowel de ND-LAr als de verre detector, die ook afhankelijk is van vloeibaar argon voor deeltjesdetectie.

Het prototype voor ND-LAr kreeg zijn naam, het 2×2-prototype, omdat de vier modules in een vierkant zijn gerangschikt. De definitieve versie van ND-LAr zal 35 modules bevatten, elk iets groter dan die gebruikt voor het prototype. Binnenkort zal het 2×2-prototype ondergronds worden geïnstalleerd in het pad van de NuMI-neutrinostraal van Fermilab om te worden getest.

"We gaan dit plaatsen in wat momenteel de meest intense neutrinostraal ter wereld is", zegt Juan Pedro Ochoa-Ricoux, een professor aan de Universiteit van Californië, Irvine, die mede leiding geeft aan de data-analyse voor de 2×2. prototype. "We gaan ons prototype onder realistische omstandigheden kunnen testen."

Een vloed aan neutrino's sorteren

Het 2×2-prototype, en uiteindelijk ND-LAr zelf, zal de neutrinobundel dichtbij het meest intense punt detecteren.

Wanneer een straal protonen van een versneller in botsing komt met een doel, ontstaat er een straal van andere geladen deeltjes die snel vervallen in andere deeltjes, waaronder neutrino's. De bundel geladen deeltjes die wordt gebruikt om neutrino's te genereren is strak gefocusseerd, maar wanneer deze neutrinobundel wordt gecreëerd, kunnen ze niet langer worden geleid of gefocusseerd, omdat ze geen lading hebben. Terwijl de straal door de ruimte reist, verspreiden de neutrino's zich en wordt de straal minder dicht.

"Het lijkt een beetje op een zaklamp:als je een zaklamp op een muur richt, zie je een kleine cirkel als je dicht bij de muur bent, maar als je van de muur weggaat, wordt de cirkel steeds groter en groter. ," zei Ochoa-Ricoux.

Omdat de nabije detector zich dicht bij de bron van de neutrinobundel zal bevinden, zal hij meer neutrino-interacties in een kleinere ruimte oppikken dan de verre detector. Deze krachtige instroom van neutrino's brengt enkele uitdagingen met zich mee voor het efficiënt registreren van de neutrino-interacties in ND-LAr. Terwijl de verre detector misschien maar één neutrino tegelijk oppikt, zal de nabije detector veel meer neutrino's op elkaar inwerken.

"Al deze interacties vinden vrijwel tegelijkertijd plaats", zei Ochoa-Ricoux. "We moeten al deze interacties kunnen ontwarren."

Gelukkig hebben onderzoekers van de Universiteit van Bern en het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE gewerkt aan nieuwe ontwerpen en technologie voor een vloeistof-argondetector die beter geschikt is voor deze hoge dichtheid aan neutrino's.

Het team van de Universiteit van Bern ontwikkelde een nieuw ontwerp voor vloeibare argonneutrinodetectoren. In plaats van slechts één groot volume vloeibaar argon verdeelt dit ontwerp de detector in modules.

Het nieuwe ontwerp resulteert niet alleen in een kortere afstand voor gestripte elektronen om naar het detectieoppervlak te drijven, maar zorgt ook voor een beter begrip van waar de neutrino-interacties plaatsvinden. Door de modules kleiner te maken, wordt het licht weergegeven dat wordt geproduceerd bij een neutrino-interactie in een bepaalde eenheid, waardoor de locatie ervan wordt beperkt.

Een modulair ontwerp betekent ook dat er in elke module minder interacties plaatsvinden. Als gevolg hiervan is het gemakkelijker om de detectie van het licht en de geladen deeltjes te koppelen om de neutrino-interactie te begrijpen. Dit soort detector kan effectiever omgaan met veel interacties die in korte tijd plaatsvinden.

Deze twee gevolgen van een gedeelde detector maken hem ideaal voor ND-LAr, omdat dit ontwerp een nauwkeuriger driedimensionaal beeld mogelijk maakt van waar een neutrino-interactie plaatsvond, zei Michele Weber, een professor aan de Universiteit van Bern die aan de prototype-detector werkte. ontwerp en leidt de ND-LAr-inspanning.

"Het is geweldig om te zien dat er in samenwerking met Fermilab een concept is ontwikkeld op onze universitaire zoekapplicatie in DUNE", aldus Weber. "Eén uitdaging die we moesten aangaan om te weten welk signaal bij welke interactie hoort, is het verbeteren van de 3D-weergave van elke interactie."

Een duidelijker beeld krijgen

Ondertussen heeft een ander team bij Berkeley Lab een nieuw type signaaluitleessysteem ontwikkeld dat de enorme hoeveelheid gegevens kan verwerken die in de nabije detector worden verwacht.

Traditioneel hebben vloeistof-argon-tijdprojectiekamers, of LArTPC, een reeks gelaagde draden langs de zijkant van de detector gebruikt om het signaal op te vangen van gestripte elektronen die vrijkomen bij een interactie tussen een neutrino en het argon. Het combineren van de signalen die worden verzameld door de draadlagen, die een reeks tweedimensionale projecties opleveren, levert voldoende informatie op om een ​​driedimensionaal beeld van de interactie te reconstrueren.

Wanneer er echter veel neutrino-argon-interacties in de detector plaatsvinden – een fenomeen dat neutrino-stapeling wordt genoemd – geeft dit uitleessysteem niet zo’n duidelijk beeld, zegt Brooke Russell, een Chamberlain-fellow bij Berkeley Lab die werkt aan de 2× 2 prototypes.

In plaats daarvan maakt het door Berkeley Lab ontwikkelde uitleessysteem gebruik van een volledig gepixelde uitlezing, wat betekent dat elk fysiek kanaal in de detector overeenkomt met één digitaal uitleeskanaal. Door deze reeks pixels te gebruiken, wordt de driedimensionale locatie van de interactie direct weergegeven en kunnen alle vele neutrino-interacties die vrijwel gelijktijdig plaatsvinden, worden opgelost.

"Dit heeft grote gevolgen voor de soorten signalen die we construeren en de intensiteit van de activiteit waar we tolerant voor kunnen zijn", aldus Russell. "Met de DUNE-nabijheidsdetector bevinden we ons voor het eerst in een regime waarin we een ophoping van neutrino's hebben. Een dergelijke uitlezing is absoluut vereist om de neutrino-gebeurtenissen te reconstrueren."

2×2 op de proef gesteld

De modules voor het prototype werden gebouwd en getest aan de Universiteit van Bern, vervolgens verscheept naar Fermilab en opnieuw getest voordat ze werden geïnstalleerd. Er worden voorbereidingen getroffen voor de installatie van het prototype tegen het einde van het jaar, om de neutrinodetectie te testen wanneer de NuMI-straal deze winter weer wordt ingeschakeld.

Het installatieteam van het experiment zal de prototypedetector in een cryogeen gekoelde container plaatsen en deze tussen twee hergebruikte detectorstukken van het gepensioneerde MINERvA-neutrino-experiment in Fermilab plaatsen. MINERvA heeft van 2010 tot 2019 neutrino-interacties gemeten.

Omdat de ND-LAr-prototypedetector niet erg groot is, kan hij niet het volledige pad meten van sommige deeltjes die ontstaan ​​wanneer neutrino's interageren met argon. Bekende voorbeelden zijn muonen, die doorgaans lange afstanden afleggen voordat ze stoppen. Dat is waar de oude MINERvA-detectorcomponenten in het spel komen. Door deze componenten te gebruiken om muonen te volgen die de prototypedetector verlaten, kunnen wetenschappers muonen onderscheiden van geladen pionen, een ander type subatomair deeltje.

Het plaatsen van het prototype tussen de MINERvA-segmenten helpt ook bij het identificeren van muonen die er doorheen gaan maar niet afkomstig zijn uit de detector, waardoor ze worden onderscheiden van de muonen die uit de detector komen als een product van neutrino-interacties.

"We kunnen de MINERvA-vliegtuigen gebruiken om ons te helpen neutrino's te volgen die op elkaar inwerkten in de rotsen stroomopwaarts van de detector en muonen maakten die in de detector terechtkwamen", zegt Jen Raaf, directeur van de Neutrino Division bij Fermilab, die het 2×2 prototypeproject coördineert. . "We zullen de sporen met elkaar kunnen verbinden om de sporen te identificeren [die niet uit de detector afkomstig zijn] en ze te verwijderen, want dat is niet waar we in geïnteresseerd zijn."

Met de MINERvA-vliegtuigen kunnen de wetenschappers ook deeltjes volgen die zijn ontstaan ​​tijdens neutrino-interacties in de LArTPC, maar die het argonvolume verlaten voordat ze stoppen. "MINERvA zal ons in staat stellen deze uittredende deeltjes te volgen en hun energie te meten", aldus Raaf, "zodat we een nauwkeurige schatting kunnen krijgen van de energie van het neutrino wanneer het in wisselwerking staat met de LArTPC."

Wanneer het 2x2-prototype in de neutrinostraal wordt getest, zal dit er niet alleen voor zorgen dat het prototype goed werkt, maar kunnen onderzoekers ook neutrino-fysica-experimenten uitvoeren, aldus Ochoa-Ricoux.

Ook al zal het volwaardige DUNE-experiment pas over een aantal jaren van start gaan", zei hij, "zullen we met dit prototype al een aantal belangrijke natuurkundige resultaten opleveren."

Sommige van deze pre-DUNE-experimenten in het 2×2-prototype omvatten het bestuderen van de reacties tussen neutrino's en het argon, en het meten van dwarsdoorsneden, of de waarschijnlijkheid van deeltjesinteracties.

Dankzij het modulaire ontwerp en de pixeluitlezing zal ND-LAr uniek zijn onder de vloeibare argonneutrinodetectoren. Dit betekent dat het bouwen en testen van een prototype cruciaal is om ervoor te zorgen dat het innovatieve ontwerp werkt zoals verwacht. Terwijl een nieuw stukje technologie wordt gebouwd, moeten wetenschappers elke stap van de constructie testen om de mogelijkheden ervan aan te tonen, zei Weber.

"ND-LAr heeft een atypisch ontwerp", zei Russell. "We willen valideren dat sommige van de ontwerpprincipes waarvan we denken dat ze zullen werken, ook daadwerkelijk zullen werken."

Het is ook belangrijk dat een prototype groot genoeg wordt gebouwd om ervoor te zorgen dat het laatste apparaat kan worden gebouwd en geïnstalleerd, aldus Raaf.

"Iets op kleinere schaal doen, maar groot genoeg om moeilijkheden bij de constructie en montage te kunnen identificeren, is een heel belangrijke stap in alle experimenten met deeltjesfysica", zei ze. "Je wilt iets dat groot genoeg is om de verschillende dingen die je moet doen te ervaren, zoals een kraan gebruiken om het op te pakken en het op een bepaalde manier te kunnen verplaatsen."

De DUNE-samenwerking is georganiseerd in consortia die zich richten op verschillende aspecten van het project. De ontwikkeling van het 2×2-prototype maakt deel uit van het ND-LAr Consortium, waarvan de Universiteit van Bern en Berkeley Lab slechts twee van de tientallen instellingen zijn.

"Al deze mensen nemen op een bepaald niveau deel aan dit prototype, om er zeker van te zijn dat wat ze voor ogen hebben voor het volledige ding ook daadwerkelijk op kleinere schaal werkt en dat we niets hoeven aan te passen", zei Raaf. "Misschien wel, en dat is prima. Daarom maken we prototypes. We komen wekelijks bijeen en bespreken:hoe gaat het? Wat moeten we nu doen? Wat ging er goed? Wat kunnen we verbeteren?"

Voor een dergelijke grote taak is samenwerking tussen meerdere instellingen noodzakelijk, zegt Weber, die de leiding heeft over het ND-LAr Consortium. Tussen de neutrinobundel van Fermilab, het modulaire detectorconcept van de Universiteit van Bern, de uitleestechnologie van Berkeley Lab en de gegevensverwerking en -analyse die bij veel instellingen plaatsvindt, brengt elke medewerker in het ND-LAr Consortium zijn unieke capaciteiten in voor dit project. P>

"Deze inspanningen zijn te groot voor één instelling alleen", zei Weber. "Je praat met verschillende mensen en je deelt de last. Het is een uitdaging om met veel mensen te werken, maar het is de enige manier, en het is leuk om te zien dat verschillende ideeën succesvol samenkomen."

Geleverd door Fermi National Accelerator Laboratory