Um experimento para capturar imagens 3D sem precedentes das trajetórias de partículas carregadas foi demonstrado usando raios cósmicos conforme eles atingem e viajam através de um criostato preenchido com uma tonelada de argônio líquido. Os resultados confirmam as capacidades de uma nova tecnologia de detector para física de partículas desenvolvida por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) em colaboração com várias universidades e parceiros industriais.

Pioneira em escala para esta nova tecnologia, o experimento na Universidade de Berna, A Suíça - dirigida remotamente por causa da pandemia COVID-19 - demonstra prontidão para um projeto muito maior e mais ambicioso:o Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), disse o cientista do Berkeley Lab e líder da equipe Dan Dwyer.

Em apenas alguns anos, a equipe do Berkeley Lab transformou um conceito ambicioso chamado LArPix (pixels de argônio líquido) em realidade, Disse Dwyer. “Superamos os desafios do ruído, consumo de energia, compatibilidade criogênica, e, mais recentemente, escalabilidade / confiabilidade, transferindo muitos aspectos dessa tecnologia para a fabricação industrial. "

DUNE é uma importante nova instalação científica que está sendo construída pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE) para estudar as propriedades dos neutrinos subatômicos que serão disparados no subsolo a partir de um acelerador no Laboratório Nacional de Aceleração Fermi do DOE (Fermilab) perto de Chicago, Dwyer explicou. Neutrinos são partículas extremamente leves que interagem fracamente com a matéria - algo que os pesquisadores gostariam de entender melhor em sua busca por responder a questões fundamentais sobre o universo.

Os neutrinos produzidos pelo acelerador do Fermilab passarão por um detector próximo, instrumentado com LArPix, no local do Fermilab antes de prosseguir para completar sua jornada de 700 milhas em uma mina subterrânea profunda em Dakota do Sul.

LArPix é um salto em como detectar e registrar sinais em câmaras de projeção de tempo de argônio líquido (LArTPCs), uma tecnologia de escolha para futuros experimentos de neutrino e matéria escura, Dwyer explicou.

Em um LArTPC, partículas energéticas subatômicas entram na câmara e liberam ou ionizam elétrons no argônio líquido. Um forte, O campo elétrico aplicado externamente desvia os elétrons em direção a um lado do ânodo da câmara do detector, onde normalmente um plano de fios atua como antenas sensíveis para ler esses sinais e criar imagens 2D estereoscópicas do evento. Mas esta tecnologia não é suficiente para lidar com a intensidade e complexidade dos eventos de neutrino a serem lidos pelo DUNE Near Detector, Disse Dwyer.

"Então, é aí que nós do Berkeley Lab entramos com esta verdadeira leitura de pixel 3D fornecida pelo LArPix, "Dwyer disse." Isso nos permitirá obter imagens de neutrinos DUNE com alta fidelidade em um ambiente muito movimentado. "

Usando LArPix, ele explicou, os planos de fios são substituídos por matrizes de pixels metálicos fabricados em placas de circuito eletrônico padrão, que pode ser facilmente fabricado. A eletrônica de baixa potência, ele disse, são compatíveis com as demandas do estado criogênico do meio líquido de argônio.

Esta última conquista não teria sido possível sem a forte parceria com a colaboração ArgonCube, uma equipe de cientistas focada no avanço da tecnologia LArTPC, centrado na Universidade de Berna. Para os experimentos de Berna, os pesquisadores usaram uma câmara detectora com 80, 000 pixels submersos em uma tonelada de argônio líquido a -330 graus Fahrenheit. O sistema, ele disse, forneceu alta fidelidade, imagens 3D verdadeiras de chuvas de raios cósmicos enquanto viajavam pelo detector.

"Este é um marco importante no desenvolvimento de LArTPCs e do DUNE Near Detector, "disse Michele Weber, Diretor do Laboratório de Física de Altas Energias da Universidade de Berna, que também atua como líder do Consórcio Internacional DUNE responsável pela construção deste detector.

"É muito mais complicado do que qualquer coisa que já foi construída para LArTPCs, "disse Brooke Russell, um pós-doutorado no Berkeley Lab e membro da equipe LArPix. Com 80, 000 canais, ela disse, o LArPix executado em Berna ultrapassou em muito os 15 de última geração anteriores, 000 canais LArTPC. "O nível de complexidade que vai dos fios aos pixels cresceu exponencialmente, " ela disse.

Parceiros da UC Berkeley, Caltech, Colorado State University, Rutgers, UC Davis, UC Irvine, UC Santa Bárbara, UPenn, e a Universidade do Texas em Arlington ajudou os pesquisadores a desenvolver e testar esse sistema muito maior.

Para DUNE, Dwyer disse, o sistema deve ser dimensionado para mais de 10 milhões de pixels que ficarão em cerca de 300 toneladas de argônio líquido. Ele disse que isso é possível devido à natureza modular das câmaras do detector e também à capacidade de colocar placas LArPix compostas por milhares de detectores de pixel individuais.

"Esta tecnologia permitirá que o DUNE Near Detector supere o acúmulo de sinal resultante da alta intensidade do feixe de neutrino no local, "Dwyer disse." Ele também pode encontrar uso nos Detectores Distantes DUNE, outros experimentos de física, bem como aplicativos não físicos, " ele disse.

Nos DUNE Far Detectors, os cientistas vão medir como o sabor quântico dos neutrinos muda no trânsito do detector próximo.

Ao estudar neutrinos, "achamos que podemos aprender algo sobre os mistérios mais profundos do universo - particularmente questões como por que há mais matéria do que antimatéria no universo, "Dwyer explicou.

Para DUNE ter sucesso, os físicos de partículas "precisavam de um nível de raciocínio inovador quando se trata de tecnologia de detector, "Russell disse." Para qualquer avanço na física de partículas experimental, é claro que você precisa de novas idéias, "Ela acrescentou." Mas se o seu hardware não funcionar, você simplesmente não poderá fazer a medição. "