Neutrinos são partículas subatômicas sutis que os cientistas acreditam desempenhar um papel fundamental na evolução do nosso universo. Eles fluem continuamente de reações nucleares em nosso Sol e outras estrelas, mas passam por quase tudo - até mesmo nossos corpos e a própria Terra - sem deixar vestígios. Cientistas que desejam estudar essas peculiaridades, partículas leves devem construir detectores extremamente sensíveis.

Um novo tipo revolucionário de detector de neutrino, projetado em parte por cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), está no centro do experimento MicroBooNE no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi do DOE (Fermilab). Em dois novos jornais, a colaboração MicroBooNE descreve como eles usam esse detector para detectar os sinais reveladores de neutrinos. Os documentos incluem detalhes dos algoritmos de processamento de sinal que são essenciais para reconstruir com precisão as interações sutis dos neutrinos com os átomos no detector.

De acordo com o físico Xin Qian, líder do grupo de física MicroBooNE do Brookhaven Lab, “O trabalho resumido nestes jornais, que incluem comparações de dados experimentais recentemente coletados com simulações de sinais de detector e ruído, demonstra uma excelente compreensão do desempenho do detector de resolução milimétrica MicroBooNE. Essa compreensão fornece uma base sólida para o uso desta tecnologia de detector para medições físicas de precisão não apenas no MicroBooNE, mas também em experimentos futuros, como o Deep Underground Neutrino Experiment. "

Detector dinâmico

A peça central do detector MicroBooNE é uma câmara de projeção de tempo de argônio líquido (LArTPC) - um tanque do tamanho de um ônibus cheio de argônio (mantido líquido a uma temperatura de -303 graus Fahrenheit) e revestido com componentes eletrônicos projetados para operar naquele ambiente extremamente frio . Este conjunto atua como uma poderosa câmera digital tomográfica 3-D para capturar as trajetórias das partículas geradas quando os neutrinos interagem com os átomos de argônio no tanque.

Os neutrinos, que vêm em três "sabores" (elétron, muon, e tau), se originam de um acelerador de prótons no Fermilab. Principalmente, eles navegam pelo detector. Mas ocasionalmente, um neutrino atinge um núcleo de argônio no LArTPC. Essa interação produz uma série de outras partículas, alguns dos quais carregam carga elétrica. À medida que essas partículas carregadas passam pelo tanque, eles ionizam, ou chutar elétrons, outros átomos de argônio em seu caminho. Os elétrons expulsos ficam presos no poderoso campo elétrico ao redor do tanque e se movem em direção a uma série de fios organizados em três planos orientados de forma diferente em uma extremidade - o ânodo. Eletrônicos dentro do tanque coletam e amplificam os sinais gerados por elétrons que atingem os fios e enviam esses sinais para serem registrados. Ao rastrear o tempo e a localização desses sinais, o detector pode construir imagens das trajetórias dos elétrons para revelar informações sobre a energia e o sabor do neutrino que acionou cada cadeia de eventos.

"Desenrolar o sinal de ionização no plano do ânodo é análogo ao processamento de filme fotográfico em uma sala escura, exceto, em vez de agentes químicos e soluções, os físicos aplicam algoritmos de processamento de sinal para reconstruir a imagem da interação do neutrino, "disse Brooke Russell, um estudante de pós-graduação da Yale University atualmente trabalhando no Brookhaven Lab.

Processamento de sinal

Mas assim como é importante obter a química certa ao processar o filme, cientistas de rastreamento de neutrinos enfrentam desafios no desenvolvimento de seus algoritmos.

Por uma coisa, as correntes induzidas por elétrons de ionização à deriva são geralmente pequenas em magnitude e podem ser reduzidas ainda mais se os elétrons chegarem aos fios por um período de tempo prolongado. Além disso, a "forma de onda" da corrente produzida por um conjunto de elétrons à deriva pode ser cancelada pela de outro conjunto de elétrons chegando mais tarde - como as ondas do mar que se achatam quando as cristas altas de uma onda se alinham com os pontos baixos de outra. Isso torna particularmente difícil discriminar os sinais minúsculos do "ruído" de fundo - distorções eletrônicas geradas pelo excesso de carga armazenada nos fios usados ​​para transportar os sinais, as fontes de alimentação externas que geram o campo elétrico do detector, ou outras fontes.

Manter alguns dos componentes eletrônicos dentro da câmara de argônio líquido ajuda a minimizar o ruído, reduzindo a distância que os sinais precisam percorrer antes de serem lidos. Como observou o associado de pesquisa de pós-doutorado do Laboratório Brookhaven Brian Kirby, esses "eletrônicos frios de baixo ruído", "projetado pela Divisão de Instrumentação de Brookhaven, são uma tecnologia crucial para grandes LArTPCs. "Eles simplificam o projeto do detector e fornecem o desempenho de ruído eletrônico necessário para fazer um uso completo dos sinais do plano do fio de indução, " ele disse.

Um segundo desafio é que os elétrons à deriva podem induzir corrente ao longo de uma extensão de vários fios próximos, introduzindo a possibilidade de que a forma de onda produzida pelos elétrons que passam por um determinado fio pode cancelar uma forma de onda produzida pelos elétrons que passam por um fio próximo. Esses cancelamentos dependem da distribuição de elétrons de ionização, levando a sinais altamente complexos.

Para enfrentar este desafio, a colaboração MicroBooNE desenvolveu um novo algoritmo para extrair a distribuição de elétrons da corrente induzida medida nos fios. A base do algoritmo é uma técnica matemática chamada deconvolução, o que simplificou muito o "sinal" ao remover a resposta de indução muito complexa da câmara de argônio líquido, para que os cientistas possam extrair a localização e distribuição dos elétrons que chegam aos aviões.

Esta deconvolução é realizada em duas dimensões (2-D). De acordo com o associado de pesquisa de pós-doutorado de Brookhaven, Hanyu Wei, o primeiro 'D' é uma análise matemática comum da forma de onda ao longo do tempo, e o segundo 'D' leva em consideração o efeito de longo alcance dos sinais de indução em vários fios. Ao identificar "regiões de interesse" específicas no sinal, os cientistas também podem mitigar a ampliação do ruído de baixa frequência da técnica de deconvolução.

MicroBooNE é o primeiro detector capaz de combinar o número de elétrons detectados nos três planos de fios de um LArTPC.

"Uma vez que os mesmos aglomerados de elétrons à deriva são detectados por cada um dos planos de arame, você esperaria medir a mesma quantidade de carga de cada plano, "disse Michael Mooney, um ex-associado de pós-doutorado do Brookhaven Lab que agora é um novo membro do corpo docente da Colorado State University. Mas, devido à complexidade dos sinais nos planos dos fios de indução, nenhum detector LArTPC anterior foi capaz de fazer isso.

"Nossa demonstração baseada em dados de que a correspondência local cruzada de carga é viável em um LArTPC abre portas para novos tipos de técnicas de reconstrução que visam primeiro criar uma imagem 3-D da interação neutrino-argônio - e pode melhorar muito nossa capacidade para determinar com precisão as propriedades do neutrino, "Mooney disse.

Simulações vs. dados

A equipe MicroBooNE também desenvolveu simulações significativamente melhoradas de sinais TPC esperados e ruído - levando em consideração o efeito de indução de longo alcance mencionado e a posição exata do elétron à deriva dentro de uma região de fio - e usou essas novas simulações para avaliar quantitativamente seu algoritmo de processamento de sinal. A comparação das simulações com os resultados extraídos de dados reais produziu resultados consistentes, que é um passo crucial para usar o detector para estudos de física.

"A consistência entre a nova simulação e os dados nos dá a confiança de que entendemos nosso detector no nível fundamental, que é fundamental para as próximas análises de física no MicroBooNE, "disse o físico do Brookhaven Lab, Chao Zhang.

Brett Viren, físico do Brookhaven Lab, observou:"A capacidade de fornecer simulação mais precisa de ruído e sinais de fios LArTPC nos permite validar técnicas de reconstrução e avaliar quantitativamente suas eficiências. Essas melhorias também facilitarão o uso dessas simulações e técnicas modernas de aprendizado de máquina - que devem ter conjuntos de treinamento que imitar de perto a coisa real - para melhorar a precisão do detector LArTPC. "

A equipe desenvolveu um software para o algoritmo de processamento de sinal e para as simulações aprimoradas de sinal e ruído em um "Wire-Cell Toolkit". Este pacote de software pode ser executado em arquiteturas convencionais de computação de unidade de processamento central (CPU) e também pode ser configurado para arquiteturas altamente paralelas de sistemas de computação de alto desempenho (HPC).

"Todas essas conquistas no processamento de sinais, simulação, e a comparação de simulação de dados nos aproxima de perceber todo o potencial da tecnologia de detector LArTPC, "disse Qian de Brookhaven." Agora esperamos os resultados empolgantes que virão da MicroBooNE.

"Além disso, os avanços na MicroBooNE constroem a base para técnicas de detecção e processamento de sinal que serão usadas com detectores LArTPC maiores - incluindo aqueles que estão sendo desenvolvidos para DUNE, que está programado para entrar online em meados da década de 2020. "

Para DUNE, A Instalação de Neutrinos de Linha de Base Longa do Fermilab lançará um feixe de neutrinos através da Terra de Illinois a uma velha mina de ouro no subsolo de Dakota do Sul. Até quatro detectores na caverna serão baseados na capacidade do MicroBoone do tamanho de um ônibus de rastrear partículas com alta precisão, tendo tanques colossais cada um com 100 vezes o volume capaz de localizar as posições das partículas em alguns milímetros.

"Os detectores LArTPC são a única tecnologia que pode atingir essa precisão em grande escala. Isso é o que os torna verdadeiramente revolucionários, "Qian disse.