Muito antes de o Deep Underground Neutrino Experiment fazer as suas primeiras medições num esforço para expandir a nossa compreensão do universo, um protótipo para um dos detectores da experiência está a abrir novos caminhos na tecnologia de detecção de neutrinos.



DUNE, atualmente em construção, será um experimento massivo que se estenderá por mais de 1.300 quilômetros. Um feixe de neutrinos originado no Laboratório Nacional de Aceleradores Fermi do Departamento de Energia dos EUA passará por um detector de partículas localizado no local do Fermilab e, em seguida, viajará através do solo até um enorme detector no Centro de Pesquisa Subterrânea de Sanford, em Dakota do Sul.

O detector próximo consiste em um conjunto de sistemas de detecção de partículas. Um deles, conhecido como ND-LAr, contará com uma câmara de projeção temporal de argônio líquido para registrar rastros de partículas; ele será colocado dentro de um recipiente cheio de argônio líquido. Quando um neutrino colide com uma das partículas que constituem os átomos de argônio, a colisão gera mais partículas. À medida que cada partícula criada na colisão sai do núcleo, ela interage com átomos próximos, retirando alguns de seus elétrons, levando à produção de sinais detectáveis ​​na forma de luz e carga.

O ND-LAr é otimizado para ver esses dois tipos de sinais. Os cientistas do DUNE escolheram o argônio líquido para um dos sistemas de detectores próximos, para que possam fazer comparações diretas e individuais ao analisar os resultados do ND-LAr e do detector distante, que também depende do argônio líquido para detecção de partículas.

O protótipo do ND-LAr recebeu esse nome, protótipo 2×2, porque seus quatro módulos estão dispostos em um quadrado. A versão final do ND-LAr contará com 35 módulos, cada um um pouco maior que os utilizados no protótipo. Em breve, o protótipo 2×2 será instalado no subsolo no caminho do feixe de neutrinos NuMI do Fermilab para testes.

“Vamos colocar isso no que é atualmente o feixe de neutrinos mais intenso do mundo”, disse Juan Pedro Ochoa-Ricoux, professor da Universidade da Califórnia, Irvine, que está co-liderando o esforço de análise de dados para o 2×2. protótipo. "Seremos capazes de testar nosso protótipo em circunstâncias realistas."

Classificando uma inundação de neutrinos

O protótipo 2×2, e eventualmente o próprio ND-LAr, detectará o feixe de neutrinos próximo ao seu ponto mais intenso.

Quando um feixe de prótons de um acelerador colide com um alvo, ele cria um spray de outras partículas carregadas que rapidamente decaem em outras partículas, incluindo neutrinos. O feixe de partículas carregadas usado para gerar neutrinos é fortemente focado, mas quando esse feixe de neutrinos é criado, eles não podem mais ser guiados ou focados, pois não possuem carga. À medida que o feixe viaja pelo espaço, os neutrinos espalham-se e o feixe torna-se menos denso.

“É um pouco como uma lanterna:quando você aponta uma lanterna para uma parede, se você estiver perto da parede, você verá um pequeno círculo, mas se você se afastar da parede, o círculo ficará cada vez maior e maior. ”, disse Ochoa-Ricoux.

Como o detector próximo estará próximo da fonte do feixe de neutrinos, ele captará mais interações de neutrinos em um espaço menor do que o detector distante. Este poderoso influxo de neutrinos apresenta alguns desafios para o registro eficiente das interações de neutrinos no ND-LAr. Embora o detector distante possa detectar apenas um neutrino por vez, o detector próximo verá muito mais neutrinos interagindo.

“Todas essas interações ocorrem virtualmente ao mesmo tempo”, disse Ochoa-Ricoux. "Precisamos ser capazes de desembaraçar todas essas interações."

Felizmente, pesquisadores da Universidade de Berna e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE têm trabalhado em novos projetos e tecnologias para um detector de argônio líquido mais adequado para esta alta densidade de neutrinos.

A equipe da Universidade de Berna desenvolveu um novo projeto para detectores de neutrinos de argônio líquido. Em vez de apenas um grande volume de argônio líquido, esse design divide o detector em módulos.

O novo design não apenas resulta em uma distância mais curta para os elétrons despojados se deslocarem em direção à superfície de detecção, mas também fornece uma melhor compreensão de onde as interações dos neutrinos estão acontecendo. Diminuir os módulos mostra a luz produzida em uma interação de neutrinos em uma unidade específica, restringindo sua localização.

Um design modular também significa que ocorrem menos interações em cada módulo. Como resultado, é mais fácil emparelhar a detecção da luz e das partículas carregadas para compreender a interação dos neutrinos. Esse tipo de detector pode lidar com mais eficiência com muitas interações que acontecem em um curto espaço de tempo.

Estas duas consequências de um detector dividido tornam-no ideal para ND-LAr, já que este design permite uma imagem tridimensional mais precisa de onde ocorreu uma interação de neutrinos, disse Michele Weber, professora da Universidade de Berna que trabalha no protótipo do detector. projetar e liderar o esforço ND-LAr.

“É ótimo ver um conceito desenvolvido em nossa universidade encontrando aplicação no DUNE através de uma colaboração com o Fermilab”, disse Weber. "Um desafio que tivemos que enfrentar para saber qual sinal pertence a qual interação foi melhorar a visualização 3D de cada interação."

Obtendo uma imagem mais clara

Enquanto isso, no Berkeley Lab, outra equipe criou um novo tipo de sistema de leitura de sinal que pode lidar com a enorme quantidade de dados esperados no detector próximo.

Tradicionalmente, as câmaras de projeção temporal de argônio líquido, ou LArTPC, usam uma série de fios em camadas na lateral do detector para capturar o sinal dos elétrons despojados que são liberados em uma interação entre um neutrino e o argônio. A combinação dos sinais coletados pelas camadas de fios, que fornecem uma série de projeções bidimensionais, fornece informações suficientes para reconstruir uma imagem tridimensional da interação.

No entanto, quando há muitas interações neutrino-argônio no detector - um fenômeno chamado acúmulo de neutrinos - este sistema de leitura não fornece uma imagem tão nítida, disse Brooke Russell, pesquisador de Chamberlain no Berkeley Lab que trabalha no 2× 2 protótipo.

Em vez disso, o sistema de leitura desenvolvido no Berkeley Lab usa uma leitura totalmente pixelizada, o que significa que cada canal físico no detector corresponde a um canal de leitura digital. O uso dessa matriz de pixels mostra diretamente a localização tridimensional da interação e pode resolver todas as muitas interações de neutrinos que acontecem quase simultaneamente.

“Isso tem implicações importantes para os tipos de sinais que construímos e para a intensidade de atividade à qual podemos ser tolerantes”, disse Russell. "Com o detector de proximidade DUNE, pela primeira vez, estamos num regime em que temos acumulação de neutrinos. Tal leitura é absolutamente necessária para reconstruir os eventos de neutrinos."

Colocando o 2×2 à prova

Os módulos do protótipo foram construídos e testados na Universidade de Berna, depois enviados para o Fermilab e testados novamente antes de serem instalados. Estão em andamento os preparativos para a instalação do protótipo até o final do ano, a fim de testar a detecção de neutrinos quando o feixe NuMI voltar a funcionar neste inverno.

A equipe de instalação do experimento colocará o protótipo do detector em um recipiente resfriado criogenicamente e o colocará entre duas peças de detector reaproveitadas do experimento de neutrinos MINERvA aposentado no Fermilab. O MINERvA mediu as interações de neutrinos de 2010 a 2019.

Como o protótipo do detector ND-LAr não é muito grande, ele não pode medir o caminho completo de algumas das partículas criadas quando os neutrinos interagem com o argônio. Exemplos notáveis ​​são os múons, que normalmente viajam longas distâncias antes de parar. É aí que os antigos componentes do detector MINERvA entram em ação. Usando esses componentes para rastrear múons que saem do detector protótipo, os cientistas podem distinguir múons de píons carregados, outro tipo de partícula subatômica.

Colocar o protótipo entre os segmentos MINERvA também ajuda a identificar múons que estão passando, mas não se originaram no detector, distinguindo-os dos múons vindos de dentro do detector como produto de interações de neutrinos.

“Podemos usar os aviões MINERvA para nos ajudar a rastrear neutrinos que interagiram na rocha a montante do detector e produziram múons que foram para o detector”, disse Jen Raaf, diretora da Divisão de Neutrinos do Fermilab, que coordena o projeto do protótipo 2×2. . “Poderemos conectar os rastros para identificar aqueles [que não se originaram no detector] e nos livrar deles, porque não é nisso que estamos interessados”.

Os aviões MINERvA também permitem aos cientistas rastrear partículas criadas em interações de neutrinos no LArTPC, mas que saem do volume de argônio antes de parar. "O MINERvA nos permitirá rastrear essas partículas que saem e medir sua energia", disse Raaf, "para que possamos obter uma estimativa precisa da energia do neutrino quando ele interagiu no LArTPC."

Quando o protótipo 2×2 for testado no feixe de neutrinos, não apenas garantirá que o protótipo esteja funcionando corretamente, mas os pesquisadores também poderão realizar experimentos de física de neutrinos, disse Ochoa-Ricoux.

Mesmo que o experimento DUNE completo só comece a operar dentro de vários anos”, disse ele, “já estaremos produzindo alguns resultados físicos importantes com este protótipo”.

Alguns desses experimentos pré-DUNE no protótipo 2×2 incluem o estudo das reações entre os neutrinos e o argônio e a medição de seções transversais ou a probabilidade de interações entre partículas.

Entre o design modular e a leitura de pixels, o ND-LAr será único entre os detectores de neutrinos de argônio líquido. Isto significa que construir e testar um protótipo é crucial para garantir que o design inovador funcione conforme o esperado. À medida que uma nova peça de tecnologia é construída, os cientistas devem testar cada etapa da construção para demonstrar as suas capacidades, disse Weber.

“ND-LAr tem um design atípico”, disse Russell. "Queremos validar que alguns dos princípios de design que achamos que funcionarão, realmente funcionarão."

Também é importante que um protótipo seja construído grande o suficiente para garantir que o equipamento final seja possível de construir e instalar, disse Raaf.

“Fazer algo em escala menor, mas grande o suficiente para que seja possível identificar dificuldades na construção e montagem, é um passo realmente importante em todos os experimentos de física de partículas”, disse ela. "Você quer algo que seja grande o suficiente para experimentar as várias coisas que você precisa fazer, como usar um guindaste para pegá-lo e poder movê-lo de determinadas maneiras."

A colaboração DUNE está organizada em consórcios que se concentram em diferentes aspectos do projecto. O desenvolvimento do protótipo 2×2 faz parte do Consórcio ND-LAr, do qual a Universidade de Berna e o Berkeley Lab são apenas duas entre dezenas de instituições.

“Todas essas pessoas estão participando deste protótipo em algum nível, para garantir que o que eles imaginaram para o tamanho real realmente funcione em menor escala e que não precisemos ajustar nada”, disse Raaf. "Talvez o façamos, o que é bom - é por isso que fazemos protótipos. Nos reunimos semanalmente e discutimos:como vai? O que precisamos fazer a seguir? O que deu certo? O que podemos melhorar?"

Para uma tarefa desta grandeza, é necessária a colaboração entre múltiplas instituições, disse Weber, que lidera o Consórcio ND-LAr. Entre o feixe de neutrinos do Fermilab, o conceito de detector modular da Universidade de Berna, a tecnologia de leitura do Berkeley Lab e o processamento e análise de dados que ocorrem em muitas instituições, cada colaborador do Consórcio ND-LAr traz suas capacidades únicas para este projeto.

“Esses esforços são grandes demais para uma instituição sozinha”, disse Weber. "Você conversa com várias pessoas e compartilha a carga. É um desafio trabalhar com muitas pessoas, mas é o único caminho, e é bom ver ideias diferentes se unindo com sucesso."

Fornecido pelo Fermi National Accelerator Laboratory