Como você localiza um neutrino subatômico em um "palheiro" de partículas fluindo do espaço? Essa é a perspectiva assustadora que os físicos enfrentam ao estudar neutrinos com detectores próximos à superfície da Terra. Com pouca ou nenhuma proteção em tais locais não subterrâneos, detectores de neutrino baseados em superfície, geralmente procurando por neutrinos produzidos por aceleradores de partículas, são bombardeados por raios cósmicos - chuvas implacáveis ​​de partículas subatômicas e nucleares produzidas na atmosfera da Terra por interações com partículas fluindo de locais cósmicos mais distantes. Esses viajantes abundantes, principalmente múons, criar uma teia de trilhas de partículas cruzadas que podem facilmente obscurecer um raro evento de neutrino.

Felizmente, os físicos desenvolveram ferramentas para diminuir o "ruído" cósmico.

Uma equipe que inclui físicos do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA descreve a abordagem em dois artigos recentemente aceitos para publicação em Revisão Física Aplicada e a Jornal de Instrumentação (JINST) . Esses documentos demonstram a capacidade dos cientistas de extrair sinais claros de neutrino do detector MicroBooNE no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi do DOE (Fermilab). O método combina a reconstrução de imagem semelhante a um tomógrafo com técnicas de seleção de dados que fazem os sinais de neutrino produzidos pelo acelerador se destacarem de 5 para 1 contra o fundo dos raios cósmicos.

"Desenvolvemos um conjunto de algoritmos que reduzem o fundo dos raios cósmicos por um fator de 100, 000, "disse Chao Zhang, um dos físicos do Laboratório Brookhaven que ajudou a desenvolver as técnicas de filtragem de dados. Sem a filtragem, MicroBooNE veria 20, 000 raios cósmicos para cada interação de neutrino, ele disse. "Este artigo demonstra a habilidade crucial de eliminar as origens dos raios cósmicos."

Bonnie Fleming, um professor da Universidade de Yale que é co-porta-voz da MicroBooNE, disse, "Este trabalho é crítico tanto para MicroBooNE quanto para o futuro programa de pesquisa de neutrinos dos EUA. Seu impacto se estenderá notavelmente além do uso desta técnica de análise" Wire-Cell ', mesmo no MicroBooNE, onde outros paradigmas de reconstrução adotaram esses métodos de classificação de dados para reduzir drasticamente os fundos dos raios cósmicos. "

Neutrinos de rastreamento

MicroBooNE é um dos três detectores que formam o programa internacional Short-Baseline Neutrino do Fermilab, cada um localizado a uma distância diferente de um acelerador de partículas que gera um feixe de neutrinos cuidadosamente controlado. Os três detectores são projetados para contar diferentes tipos de neutrinos em distâncias crescentes para procurar discrepâncias do que é esperado com base na mistura de neutrinos no feixe e o que se sabe sobre a "oscilação" dos neutrinos. Oscilação é um processo pelo qual os neutrinos trocam identidades entre três tipos conhecidos, ou "sabores". Detectar discrepâncias nas contagens de neutrinos pode apontar para um novo mecanismo de oscilação desconhecido - e possivelmente uma quarta variedade de neutrinos.

Os cientistas do Brookhaven Lab desempenharam um papel importante no projeto do detector MicroBooNE, particularmente os eletrônicos sensíveis que operam dentro da câmara de projeção de tempo cheia de argônio líquido superfrio do detector. Conforme os neutrinos do acelerador do Fermilab entram na câmara, de vez em quando um neutrino irá interagir com um átomo de argônio, chutando algumas partículas para fora de seu núcleo - um próton ou um nêutron - e gerando outras partículas (múons, píons) e um flash de luz. As partículas carregadas que são expelidas ionizam átomos de argônio no detector, tirando alguns de seus elétrons de órbita. Os elétrons que se formam ao longo dessas trilhas de ionização são captados pelos eletrônicos sensíveis do detector.

"Toda a trilha de elétrons se desloca ao longo de um campo elétrico e passa por três planos consecutivos de fios com orientações diferentes em uma extremidade do detector, "Zhang disse." À medida que os elétrons se aproximam dos fios, eles induzem um sinal, para que cada conjunto de fios crie uma imagem 2D da pista de um ângulo diferente. "

Enquanto isso, os flashes de luz criados no momento da interação do neutrino são captados por tubos fotomultiplicadores que ficam além das matrizes de fios. Esses sinais de luz informam aos cientistas quando a interação do neutrino ocorreu, e quanto tempo levou para os trilhos chegarem aos aviões de arame.

Os computadores traduzem esse tempo em distância e juntam as imagens 2D da trilha para reconstruir uma imagem 3D da interação do neutrino no detector. O formato da trilha informa aos cientistas qual sabor de neutrino desencadeou a interação.

A reconstrução da imagem "This 3D" Wire-Cell 'é semelhante à imagem médica com um scanner de tomografia computadorizada (TC), "Zhang explicou. Em um tomógrafo, sensores capturam instantâneos das estruturas internas do corpo de diferentes ângulos e computadores juntam as imagens. "Imagine as trilhas de partículas passando pelos planos de três fios como uma pessoa entrando no scanner, " ele disse.

Desembaraçando a teia cósmica

Parece quase simples - se você esquecer os milhares de raios cósmicos que passam pelo detector ao mesmo tempo. Suas trilhas de ionização também passam pelos fios de varredura, criando imagens que parecem uma teia emaranhada. É por isso que os cientistas da MicroBooNE têm trabalhado em "gatilhos" sofisticados e algoritmos para filtrar os dados e extrair os sinais de neutrino.

Em 2017, eles fizeram um progresso substancial na redução do ruído dos raios cósmicos. Mas mesmo assim, os raios cósmicos superaram as faixas de neutrinos em cerca de 200 para 1. Os novos artigos descrevem outras técnicas para reduzir esta proporção, e vire-o para o ponto onde os sinais de neutrino no MicroBooNE agora se destacam 5 para 1 contra o fundo dos raios cósmicos.

A primeira etapa envolve combinar os sinais revelados pelas partículas geradas nas interações de neutrinos com os flashes exatos de luz captados pelos tubos fotomultiplicadores dessa interação.

"Isso não é fácil!" disse o físico do Brookhaven Lab, Xin Qian. "Como a câmara de projeção do tempo e os tubos fotomultiplicadores são dois sistemas diferentes, não sabemos qual flash corresponde a qual evento no detector. Temos que comparar os padrões de luz para cada tubo fotomultiplicador com todas as localizações dessas partículas. Se você fez todas as correspondências corretamente, você encontrará um único objeto 3D que corresponde a um único flash de luz medido pelos tubos fotomultiplicadores. "

Brooke Russell, que trabalhou na análise como estudante de pós-graduação em Yale e agora é pós-doutorado no Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE, ecoou esses comentários sobre o desafio da correspondência de luz. "Dado que as informações de cobrança, em alguns casos, não são totalmente complementares às informações de luz, pode haver ambigüidades nos pares de luz de carga em uma base de leitura única. Os algoritmos desenvolvidos pela equipe ajudam a dar conta dessas nuances, " ela disse.

Ainda, os cientistas devem então comparar o tempo de cada trilha com o tempo que os neutrinos do acelerador foram emitidos (um fator que eles conhecem porque controlam o feixe do acelerador). "Se o tempo for consistente, então é uma possível interação de neutrino, "Qian disse.

O algoritmo desenvolvido pela equipe de Brookhaven reduz a proporção para um neutrino para cada seis eventos de raios cósmicos.

Rejeitar raios cósmicos adicionais fica um pouco mais fácil com um algoritmo que elimina rastros que atravessam completamente o detector.

"A maioria dos raios cósmicos passa pelo detector de cima para baixo ou de um lado para o outro, "disse Xiangpan Ji, um pós-doutorado do Brookhaven Lab trabalhando neste algoritmo. “Se você consegue identificar o ponto de entrada e saída da pista, você sabe que é um raio cósmico. Partículas formadas por interações de neutrinos têm que começar no meio do detector onde essa interação ocorre. "

Isso traz a proporção de interações de neutrinos com raios cósmicos para 1:1.

Um algoritmo adicional rastreia eventos que começam fora do detector e são interrompidos em algum lugar no meio - que se parecem com eventos de neutrino, mas se movem na direção oposta. E uma etapa final de ajuste fino exclui eventos em que os flashes de luz não combinam bem com os eventos, para trazer a detecção de eventos de neutrino ao nível notável de 5 para 1 em comparação com os raios cósmicos.

"Esta é uma das análises mais desafiadoras em que trabalhei, "disse Hanyu Wei, o bolsista de pós-doutorado do Brookhaven Lab liderando o esforço de análise. "A câmara de projeção de tempo de argônio líquido é uma nova tecnologia de detector com muitos recursos surpreendentes. Tivemos que inventar muitos métodos originais. Foi realmente um esforço de equipe."

Zhang ecoou esse sentimento e disse:"Esperamos que este trabalho aumente significativamente o potencial do experimento MicroBooNE para explorar a física intrigante em linhas de base curtas. estamos ansiosos para implementar essas técnicas em experimentos em todos os três detectores de neutrino de linha de base curta para ver o que aprendemos sobre as oscilações de neutrino e a possível existência de um quarto tipo de neutrino. "