Naukowcy po raz pierwszy wykrywają neutrina za pomocą prototypowego detektora

Ważnym krokiem w ramach Międzynarodowego Podziemnego Eksperymentu Neutrino (DUNE) było wykrycie przez naukowców pierwszych neutrin przy użyciu prototypowego detektora cząstek DUNE w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.

Rewolucyjną nową technologią leżącą u podstaw nowego prototypu detektora DUNE jest LArPix, innowacyjny, kompleksowy system elektroniki i czujników zdolny do obrazowania zdarzeń neutrinowych w prawdziwym 3D, opracowany, zaprojektowany i zbudowany przez zespół fizyków z Lawrence Berkeley Laboratorium Krajowe (Berkeley Lab) zostało zainstalowane w Fermilab na początku tego roku.

Projekt DUNE, będący obecnie w budowie, będzie najbardziej kompleksowym eksperymentem neutrinowym na świecie. Projekt umożliwi naukowcom zbadanie nowych obszarów badań nad neutrinami i potencjalnie rozwiązanie niektórych z największych tajemnic fizyki we wszechświecie, w tym poszukiwanie pochodzenia materii i zdobycie większej wiedzy na temat supernowych i powstawania czarnych dziur.

Ponieważ projekt DUNE obejmie nowe projekty i technologie, naukowcy testują prototypy sprzętu i komponentów w ramach przygotowań do ostatecznej instalacji detektora. W lutym zespół DUNE zakończył instalację najnowszego prototypowego detektora na ścieżce linii wiązki neutrin w Fermilab. 10 lipca zespół ogłosił, że pomyślnie zarejestrował w prototypowym detektorze pierwsze neutrina wytworzone przez akcelerator, co stanowi krok w kierunku walidacji projektu.

„To naprawdę ważne osiągnięcie, które pokazuje potencjał tej technologii. Wspaniale jest widzieć ten dowód ciężkiej pracy włożonej w projektowanie, budowę i instalację detektora” – powiedziała Louise Suter, naukowiec w Fermilab, która koordynowała prace nad modułem instalacja.

Berkeley Lab kieruje integracją inżynieryjną nowego systemu detekcji neutrin, będącego częścią pobliskiego kompleksu detektorów projektu DUNE, który zostanie zbudowany na terenie Fermilab. Prototyp systemu – znany jako prototyp 2×2, ponieważ ma cztery moduły ułożone w kwadracie – rejestruje trajektorie cząstek przy użyciu komór kropli czasowych wypełnionych cieczą i argonem.

„W ramach projektu DUNE potrzebny był detektor TPC z ciekłym argonem, który byłby w stanie wytrzymać środowisko o dużej gęstości, ale uznano, że: „To niemożliwe. Dzięki wynalezieniu LArPix naszemu zespołowi w LBNL udało się urzeczywistnić to marzenie. 2× 2 Demonstrator zainstalowany obecnie w DUNE łączy w sobie nasz prawdziwy odczyt 3D z detektorami światła o dużym zasięgu, tworząc prawdziwie innowacyjny detektor cząstek.”

Brooke Russell, była doktorantka w Berkeley Lab, a obecnie specjalistka ds. fizyki Neila i Jane Pappalardo na MIT, odegrała kluczową rolę w opracowaniu prototypu 2×2, który opisuje jako „pierwszy w swoim rodzaju detektor , z ponad 337 000 Pojedynczy piksel wrażliwy na ładunek o wielkości ziarna około 4 milimetrów. Berkeley Lab kierowało projektowaniem, konstrukcją i kompleksowymi testami systemu odczytu ładunku podczas pandemii Covid-19.

„Działanie prototypu 2×2 w wiązce neutrin zapoczątkuje nową erę obrazów 3D LArTPC o wysokiej rozdzielczości do pomiarów interakcji neutrin” – powiedział Russell.

Ostateczna wersja detektora zbliżeniowego DUNE będzie zawierać 35 modułów ciekłego argonu, każdy większy niż w prototypie. Moduły pomogą nawigować wśród masowego napływu neutrin spodziewanego w pobliskim miejscu.

W prototypie 2×2 zastosowano nowe technologie, które umożliwiają nowemu systemowi zaawansowanego szczegółowego obrazowania neutrin obsługę wyjątkowych warunków w DUNE. Posiada system odczytu pikseli wielkości milimetra, opracowany przez zespół z Berkeley Lab, który umożliwia obrazowanie 3D w wysokiej rozdzielczości na dużą skalę. To, w połączeniu z modułową konstrukcją, odróżnia prototyp od poprzednich detektorów neutrin, takich jak ICARUS i MicroBooNE.

Teraz prototyp 2×2 dostarcza pierwszych danych z akceleratora neutrin przeanalizowanych i opublikowanych w ramach współpracy DUNE.

Program DUNE jest podzielony między dwa miejsca oddalone od siebie o setki kilometrów: wiązka neutrin pochodząca z Fermilab niedaleko Chicago przejdzie przez detektor cząstek w ośrodku Fermilab, a następnie przebędzie odległość 1300 km przez Ziemię do kilku masywnych detektorów w ośrodku w Sanford Fundacja Badawcza (SURF) w Południowej Dakocie.

Detektor DUNE w Fermilab będzie analizował wiązkę neutrin w pobliżu jej źródła, gdzie wiązka jest najbardziej intensywna. Współpracownicy spodziewają się, że pobliski detektor będzie rejestrował około 50 interakcji na impuls, które będą pojawiać się co sekundę, co odpowiada setkom milionów detekcji neutrin w ciągu wielu oczekiwanych lat działania DUNE. Naukowcy wykorzystają także DUNE do badania neutrinowego odpowiednika antymaterii, czyli antyneutrin.

Ten bezprecedensowy napływ neutrin i antyneutrin wytwarzanych przez akceleratory umożliwi programowi DUNE osiągnięcie ambitnych celów naukowych. Fizycy będą badać cząstki za pomocą detektorów pola bliskiego i dalekiego w ramach programu DUNE, aby dowiedzieć się więcej o tym, jak zmienia się ich typ w trakcie podróży – jest to zjawisko znane jako oscylacja neutrin. Szukając różnic między oscylacjami neutrin i antyneutrin, fizycy będą szukać dowodów na złamaną symetrię znaną jako naruszenie CP, aby ustalić, czy neutrina mogą być odpowiedzialne za rozprzestrzenianie się materii w naszym wszechświecie.

Zespół DUNE składa się z ponad 1400 naukowców i inżynierów z ponad 200 instytucji badawczych. Prawie 40 takich instytucji działa na pobliskim detektorze. W szczególności Uniwersytet w Bernie w Szwajcarii, Fermilab Wydziału Energii, laboratorium w Berkeley i Narodowe Laboratorium Akceleratorów Cząstek SLAC kierowały rozwojem sprzętu dla prototypu 2×2 przy znaczącym udziale kilku uniwersytetów.

„Demonstrator 2×2 był dziełem miłości” – powiedział Dwyer. „Zaczęło się od kilku zaangażowanych zespołów, które dostrzegły potencjał tych nowych technologii do współpracy w charakterze wyjątkowego detektora cząstek. Teraz, gdy projekt postępuje naprzód, „Rezultaty są imponujące, a te oszałamiające zdjęcia zarejestrowane przez Demonstrator 2×2 udowadniają, że podążaliśmy właściwą drogą”.

„Wspaniale jest widzieć sukces technologii, którą opracowaliśmy do pomiaru neutrin w wiązce o tak dużym natężeniu” – mówi Michele Weber, profesor na Uniwersytecie w Bernie, gdzie narodziła się koncepcja konstrukcji modułowej i gdzie powstały cztery moduły zostały zmontowane i przetestowane – i kto kieruje pracami nad nowym systemem wykrywania cząstek. „Udana demonstracja zdolności tej technologii do jednoczesnego rejestrowania wielu interakcji neutrin utoruje drogę do budowy pobliskiego detektora ciekłego argonu DUNE”.

Kolejne kroki

Testowanie prototypu 2×2 jest konieczne, aby wykazać, że innowacyjny projekt i technologia są skuteczne w skali umożliwiającej spełnienie wymagań czujnika zbliżeniowego. Nigdy wcześniej nie zbudowano ani nie przetestowano standardowego detektora ciekłego argonu zdolnego do wykrywania dużej ilości neutrin i antyneutrin.

Linia świetlna w Fermilab jest idealnym poligonem doświadczalnym i stanowi dla badaczy ekscytującą możliwość pomiaru tych tajemniczych cząstek. Obecnie działa w „trybie antyneutrina”, dlatego naukowcy z DUNE wykorzystają prototyp 2×2 do badania interakcji między antyneutrinami i argonem.

Kiedy antyneutrina zderzają się z atomami argonu, tak jak ma to miejsce w pobliskim detektorze wypełnionym argonem, wchodzą w interakcję i wytwarzają inne cząstki. Prototyp będzie monitorował rodzaj i częstotliwość wytwarzanych cząstek. Badanie tych interakcji antyneutrin pomoże naukowcom porównać oscylacje neutrin i antyneutrin za pomocą DUNE.

„Analiza tych danych to świetna okazja dla naszych początkujących naukowców do zdobycia doświadczenia” – powiedział Kevin Wood, koordynator pierwszego uruchomienia prototypu 2×2 i stażysta podoktorski w Berkeley Lab, gdzie opracowano nowy system odczytu prototypu. Analiza tych danych to świetna okazja dla naszych początkujących naukowców do zdobycia doświadczenia. „Początkowy zbiór danych 2×2 to bardzo oczekiwany zbiór danych, który mogą analizować studenci studiów magisterskich, doktoranci i inni młodzi współpracownicy w ramach dalszych przygotowań do uruchomienia DUNE w Internecie. .”

Inicjatywa DUNE planuje bombardować prototyp 2×2 neutrinami z wiązki Fermilab przez kilka miesięcy.

„To ekscytujące osiągnięcie dla zespołu 2×2 i całej współpracy DUNE. Niech będzie to pierwsza z wielu interakcji neutrin w ramach projektu DUNE” – powiedział Sergio Bertolucci, profesor fizyki na Uniwersytecie w Bolonii we Włoszech i specjalista ds. rzecznik projektu DUNE wraz z Mary Pichai z Brookhaven National Laboratory.