A colaboração DUNE publicou seu primeiro artigo científico baseado em dados coletados com o detector monofásico ProtoDUNE localizado na Plataforma de Neutrinos do CERN. Os resultados mostram que o detector está funcionando com eficiência superior a 99%, tornando-o não apenas o maior, mas também a câmara de projeção de tempo de argônio líquido com melhor desempenho até hoje. Os cientistas agora estão usando suas descobertas para refinar suas técnicas experimentais e se preparar para a construção do experimento internacional Deep Underground Neutrino na Long-Baseline Neutrino Facility, um programa experimental de neutrino de próxima geração patrocinado pelo Fermilab do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

"Esses primeiros resultados são uma ótima notícia para nós, "disse o co-porta-voz do DUNE Stefan Söldner-Rembold, professor da Universidade de Manchester, no Reino Unido. “Eles mostram que o detector ProtoDUNE-SP funciona ainda melhor do que o previsto. Agora estamos prontos para a construção dos primeiros componentes do detector DUNE, que contará com módulos detectores baseados neste protótipo, mas 20 vezes maior. "

DUNE é um ambicioso experimento internacional que mede as propriedades de minúsculas partículas fundamentais chamadas neutrinos. Neutrinos são a partícula de matéria mais abundante no universo, mas porque raramente interagem com outras partículas, eles são incrivelmente difíceis de estudar. Existem pelo menos três tipos diferentes de neutrinos, e, todo segundo, 65 bilhões deles passam por cada centímetro quadrado da Terra. Enquanto eles viajam, eles fazem algo peculiar:eles mudam de um tipo para outro. Os cientistas acham que essas oscilações de neutrinos - bem como oscilações envolvendo neutrinos de antimatéria - podem ajudar a responder algumas das grandes questões da física, como a assimetria matéria-antimatéria observada no universo. O DUNE também irá procurar neutrinos de supernovas e procurar processos subatômicos raros, como o decaimento de prótons.

"O ProtoDUNE-SP mostra que podemos ampliar esse tipo de tecnologia para o tamanho e a resolução de que precisamos para finalmente colocar os neutrinos sob um microscópio muito poderoso, "disse Marzio Nessi, coordenador da Plataforma de Neutrinos do CERN.

A medição precisa dessas oscilações restringirá e até mesmo excluirá alguns modelos teóricos e abrirá novos caminhos para descobrir e explorar fenômenos subatômicos raros. Mas para obter essas medidas precisas, os cientistas precisam incrivelmente grandes, detectores sensíveis e confiáveis.

"Os resultados do ProtoDUNE mostram que projetamos um detector que nos permitirá alcançar nossos objetivos científicos em DUNE, "disse Elizabeth Worcester, um cientista do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia e coordenador de física do DUNE.

DUNE é projetado para revelar a natureza das oscilações de neutrinos, disparando um feixe intenso de neutrinos do Fermilab perto de Chicago através de 1, 300 quilômetros (800 milhas) de terra e em quatro módulos detectores subterrâneos gigantes localizados a 1,5 quilômetros de profundidade no Sanford Underground Research Facility em South Dakota. Dois detectores ProtoDUNE no CERN - um baseado em uma única fase e outro baseado em uma tecnologia de argônio líquido de fase dupla - são um passo em direção à construção dos enormes módulos detectores DUNE, cada um preenchido com 17, 000 toneladas de argônio líquido. O Relatório de Design Técnico DUNE, publicado em fevereiro, é o projeto para construir esses módulos.

No CERN, Cientistas da DUNE de todo o mundo usaram raios cósmicos e um feixe de teste de 800 GeV para avaliar o detector ProtoDUNE-SP. O feixe de teste do acelerador SPS do CERN passou por dois alvos separados para criar feixes de elétrons, prótons e outros tipos de partículas. Os detectores de partículas localizados fora do ProtoDUNE mediram a energia e a identidade dessas partículas de feixe de teste antes de entrarem no ProtoDUNE-SP. Dentro do detector, delicados planos de fios intercalados com detectores de fótons pendurados dentro de 800 toneladas de material transparente, argônio líquido. Quando uma partícula que passa interage com o argônio, ele derruba elétrons soltos que são atraídos por um campo elétrico de alta voltagem por vários metros para os planos de fios próximos às paredes do detector. Do sinal nos fios, os cientistas criam uma imagem 3-D da trajetória da partícula e podem determinar sua energia e identidade. Ao comparar essas informações de dentro do ProtoDUNE-SP com as propriedades conhecidas da partícula do feixe de teste original, eles foram capazes de calibrar precisamente o aparelho e otimizar o complexo software de reconstrução.

Assim como a qualidade de uma foto varia significativamente com base na qualidade da câmera e do software de edição de um fotógrafo, a qualidade dos dados físicos é tão boa quanto o detector e suas ferramentas de reconstrução. Os cientistas que trabalham no ProtoDUNE-SP aprenderam com os experimentos anteriores com neutrinos e alcançaram um nível de desempenho que antes era impossível. Todos os dados do detector contêm pequenas variações, chamado ruído, isso às vezes pode ser difícil de distinguir dos sinais criados por partículas. Este é um problema comum em todos os experimentos de física, e os cientistas estão constantemente pensando em maneiras inovadoras de melhorar a qualidade dos dados por meio de uma combinação de aumento da intensidade do sinal e diminuição da quantidade de ruído. Neste primeiro artigo DUNE, os cientistas mostram como eles foram capazes de alcançar uma relação sinal-ruído de 50 para 1, o que era impossível de alcançar para as câmaras de projeção de tempo de argônio líquido. Eles também avaliaram a confiabilidade do detector e descobriram que mais de 99% de seus 15, 360 canais de detectores estão funcionando como deveriam.

"Se alguns canais em um detector não funcionam, cientistas obtêm lacunas em seus dados, "disse Tingjun Yang, um colaborador da DUNE no Fermilab que liderou a análise de dados do ProtoDUNE. "Ferramentas de análise de dados podem ajudar a fechar essas lacunas, Mas há um limite. O número de canais inativos no ProtoDUNE é inferior a 1%, dando-nos uma reconstrução de eventos altamente eficiente. O ProtoDUNE-SP mostra que podemos atingir e superar nossos objetivos físicos. ”