É 2019. Queremos nossos telefones celulares rápido, nossos computadores mais rápidos e telas tão nítidas que rivalizam com uma manhã nas montanhas. Somos uma sociedade digital, e fotos borradas de câmeras de batata não vão agradar às massas. Físicos, acontece que, não são diferentes - e eles querem o mesmo estalo nítido de seus detectores de neutrino.

Cue ArgonCube:um detector de protótipo em desenvolvimento que está levando uma tecnologia ainda em crescimento a novos patamares com um plano para capturar trilhas de partículas dignas daquela TV 4K. O segredo em seu coração? É tudo sobre os pixels.

Mas vamos dar dois passos para trás. O argônio é um elemento que compõe cerca de 1% do ar doce que você respira. Nas últimas décadas, a forma líquida do argônio tornou-se o meio de escolha para detectores de neutrino. Neutrinos são aquelas partículas fundamentais que raramente interagem com qualquer coisa, mas podem ser a chave para entender por que há tanta matéria no universo.

Grandes detectores cheios de frio, argônio denso fornece muitos núcleos atômicos para os neutrinos se chocarem e interagirem - especialmente quando os operadores do acelerador estão enviando feixes contendo trilhões de pequenas coisas. Quando os neutrinos interagem, eles criam chuveiros de outras partículas e luzes que os componentes eletrônicos do detector capturam e transformam em imagens.

Cada imagem é um instantâneo que captura a interação de um dos mais misteriosos, voador, partículas elusivas lá fora; uma partícula que causou Wolfgang Pauli, ao propor em 1930, lamentar que ele pensou que os experimentadores nunca seriam capazes de detectá-lo.

Detectores de neutrino de argônio líquido de última geração - grandes jogadores como o MicroBooNE, ICARUS e ProtoDUNE - use fios para capturar os elétrons liberados pelas interações de neutrinos. Vastos aviões de milhares de fios cruzam os detectores, cada conjunto coleta coordenadas que são combinadas por algoritmos em reconstruções 3-D da interação de um neutrino.

Essas configurações são eficazes, bem compreendido e uma ótima escolha para grandes projetos - e você não fica muito maior do que o experimento internacional Deep Underground Neutrino apresentado pelo Fermilab.

DUNE examinará como os três tipos conhecidos de neutrinos mudam à medida que viajam por longas distâncias, explorando ainda mais um fenômeno chamado oscilações de neutrino. Os cientistas enviarão trilhões de neutrinos do Fermilab a cada segundo em um 1, Viagem de 300 quilômetros através da terra - nenhum túnel necessário - para Dakota do Sul. O DUNE usará câmaras de fios em alguns dos quatro enormes módulos detectores distantes, cada um com mais de 17, 000 toneladas de argônio líquido.

Mas os cientistas também precisam medir o feixe de neutrinos quando ele sai do Fermilab, onde o DUNE próximo ao detector estará próximo à fonte de neutrino e verá mais interações.

"Esperamos que o feixe seja tão intenso que você terá uma dúzia de interações de neutrinos por pulso de feixe, e todos eles se sobreporão ao seu detector, "disse Dan Dwyer, um cientista do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley que trabalha no ArgonCube. Tentar desembaraçar um grande número de eventos usando a imagem de fio 2-D é um desafio. "O detector próximo terá uma nova gama de complexidade."

E uma nova complexidade, nesse caso, significa desenvolver um novo tipo de detector de argônio líquido.

Pixel-me isso

As pessoas pensaram em fazer um detector pixelado antes, mas nunca saiu do chão.

"Isto foi um sonho, "disse Antonio Ereditato, pai da colaboração do ArgonCube e cientista da Universidade de Berna, na Suíça. “Desenvolvemos esta ideia original em Berna, e estava claro que ele só poderia voar com a eletrônica adequada. Sem isso, isso teria sido apenas um pensamento positivo. Nossos colegas de Berkeley tinham exatamente o que era necessário. "

Pixels são pequenos, e os detectores de neutrino não. Você pode caber cerca de 100, 000 pixels por metro quadrado. Cada um é um canal único que, uma vez equipado com componentes eletrônicos, pode fornecer informações sobre o que está acontecendo no detector. Para ser sensível o suficiente, os minúsculos componentes eletrônicos precisam ficar bem próximos aos pixels dentro do argônio líquido. Mas isso representa um desafio.

"Se eles usassem até mesmo a energia de seus eletrônicos padrão, seu detector iria apenas ferver, "Dwyer disse. E um detector de argônio líquido só funciona quando o argônio permanece ... bem, líquido.

Portanto, Dwyer e o engenheiro ASIC Carl Grace, do Berkeley Lab, propuseram uma nova abordagem:e se eles deixassem cada pixel adormecido?

"Quando o sinal chega ao pixel, ele acorda e diz, "Ei, há um sinal aqui, "" Dwyer explicou. "Então ele grava o sinal, envia-o para fora e volta a dormir. Conseguimos reduzir drasticamente a quantidade de energia. "

Com menos de 100 microwatts por pixel, essa solução parecia um projeto promissor que não transformaria o detector em uma torre de gás. Eles montaram um circuito de protótipo personalizado e começaram os testes. O novo design eletrônico funcionou.

O primeiro teste tinha apenas 128 pixels, mas as coisas aumentaram rapidamente. A equipe começou a trabalhar no desafio do pixel em dezembro de 2016. Em janeiro de 2018, eles viajaram com seus chips para a Suíça, instalou-os no detector de teste de argônio líquido construído pelos cientistas de Berna e coletou suas primeiras imagens 3-D de raios cósmicos.

"Foi choque e alegria, "Dwyer disse.

Para a próxima instalação no Fermilab, os colaboradores precisarão de ainda mais eletrônicos. O próximo passo é trabalhar com fabricantes da indústria para fabricar comercialmente os chips e placas de leitura que irão sustentar cerca de meio milhão de pixels. E Dwyer recebeu o prêmio de início de carreira do Departamento de Energia para continuar sua pesquisa sobre a eletrônica de pixels, complementando a bolsa suíça SNSF para o grupo de Berna.

"Estamos tentando fazer isso em uma programação muito agressiva - é outra corrida louca, "Dwyer disse." Nós reunimos uma equipe realmente ótima no ArgonCube e fizemos um ótimo trabalho em mostrar que podemos fazer essa tecnologia funcionar para o detector DUNE próximo. E isso é importante para a física, no fim do dia."

Mais inovações pela frente

Enquanto a eletrônica centrada em pixels do ArgonCube se destaca, eles não são as únicas inovações tecnológicas que os cientistas estão planejando implementar para o próximo detector de DUNE. Há pesquisa e desenvolvimento de um novo tipo de sistema de detecção de luz e uma nova tecnologia para moldar o campo elétrico que atrai o sinal para os componentes eletrônicos. E, claro, existem os módulos.

A maioria dos detectores de argônio líquido usa um grande recipiente cheio de argônio e não muito mais. Os sinais percorrem longas distâncias através do fluido até os longos fios amarrados em um lado do detector. Mas ArgonCube está indo para algo muito mais modular, dividir o detector em unidades menores ainda contidas no criostato circundante. Isso tem certas vantagens:o sinal não precisa ir tão longe, o argônio não precisa ser tão puro para o sinal chegar ao seu destino, e os cientistas poderiam potencialmente recuperar e reparar módulos individuais, se necessário.

"É um pouco mais complicado do que o normal, detector baseado em fio, "disse Min Jeong Kim, que lidera a equipe do Fermilab trabalhando na criogenia e estará envolvido com a integração mecânica da bancada de teste do protótipo do ArgonCube. "Temos que descobrir como esses módulos irão interagir com o sistema criogênico."

Isso significa descobrir tudo, desde encher o detector com argônio líquido e manter a pressão correta durante a operação até filtrar adequadamente as impurezas do argônio e circular o fluido ao redor (e através) dos módulos para manter uma distribuição uniforme da temperatura.

O protótipo do ArgonCube em montagem na Universidade de Berna funcionará até o final do ano antes de ser enviado ao Fermilab e instalado 100 metros abaixo do solo, tornando-o o primeiro grande protótipo do DUNE enviado ao Fermilab e testado com neutrinos. Depois de trabalhar suas torções, os pesquisadores podem finalizar o projeto e construir o detector ArgonCube completo.

Instrumentação e componentes adicionais, como uma câmara de gás-argônio e um espectrômetro de feixe, irão completar o detector próximo.

É um momento emocionante para os cerca de 100 físicos de 23 instituições que trabalham no ArgonCube - e para mais de 1, 000 físicos neutrinos de mais de 30 países que trabalham no DUNE. O que começou como um pensamento positivo se tornou realidade - e ninguém sabe até onde a tecnologia de pixel pode chegar.

A Ereditato até sonha em substituir o design de um dos quatro maciços módulos detectores distantes DUNE por uma versão pixelizada. Mas uma coisa de cada vez, ele diz.

"No momento, estamos nos concentrando em construir o melhor detector próximo possível para DUNE, "Ereditato disse." Tem sido um longo caminho, com muitas pessoas envolvidas, mas a tecnologia do argônio líquido ainda é jovem. A tecnologia ArgonCube é a prova de que a técnica tem potencial para funcionar ainda melhor no futuro. "