起重機將連接在低溫容器頂部的電荷讀出平板吊裝到到容器上

最近幾個月來，歐洲核子研究中心的中微子研究設施一直在繁忙運營。來自世界各地的科學家、工程師和技術人員聚集在那里，組裝一個新粒子探測器的大型原型機進行中微子研究。中微子是宇宙中最神秘的粒子類型之一。

由美國能源部費米國家加速器實驗室主辦的國際深部地下中微子實驗(DUNE)的研究人員希望能解決這些謎團。他們在歐洲核子研究中心的原型探測器上的工作，離實現這一目標又近了一步。

深部地下中微子實驗(DUNE)所需的基礎設施十分龐大，包括費米實驗室的一個新的粒子加速器，它將產生一束中微子束，穿過1300公里的地球，然后到達南達科他州的桑福德地下研究設施。經過太陽輻射，這些粒子將被DUNE遠探測器接收。

DUNE是一個巨大的地下探測器，位于地表以下1.5公里處。該探測器將由包含氬氣的巨大探測器模塊組成，氬氣具有高度的穩定性，使其非常適合研究中微子。遠探測器的地下洞穴挖掘已完成約60%。

測試新技術

DUNE合作的成員包括來自35個國家的科學家和工程師，他們忙于設計、測試和建造安裝在SURF的前兩個DUNE探測器模塊的組件。模塊一將是一個水平漂移探測器，它是已經過試驗和測試的技術，將被放大為DUNE。這第一個模塊組件的大批量生產已經開始。第二個模塊，被稱為垂直漂移探測器，將采用新技術。目前，測試已經持續了兩年。

美國能源部布魯克黑文國家實驗室的垂直漂移探測器技術協調員史蒂夫·凱特爾表示：“我希望水平和垂直漂移探測器都能產生令人興奮的物理效果。但垂直漂移技術為建造成本更低、更容易安裝的額外探測器提供了重大機會。”

水平與垂直

在基礎水平上，水平和垂直漂移探測器的工作方式是相同的。當一個中微子與探測器充滿液態氬的腔室內的氬原子相互作用時，在這種相互作用中產生的粒子會釋放出電子。探測器室相對兩側之間的強電場將這些松散的電子推到陽極上，陽極是一個檢測帶電粒子到達的大型結構件。在水平漂移探測器中，電場存在于兩個相對的壁之間，電子水平漂移;在垂直漂移探測器中，電場在探測器的底部和頂部之間運行，電子垂直漂移。氬-中微子的相互作用也會產生短暫的閃光，兩個探測器都用單獨的光子探測系統捕獲。

“從根本上說，垂直漂移和水平漂移并沒有什么不同。”凱特爾解釋，“我們正在以本質上相同的方式探測中微子事件。”

區別體現在細節上。水平漂移探測器的陽極由大平面緊密纏繞的導線組成，稱為陽極平面組件，或APA。它們高6米，寬2.3米。另一方面，垂直漂移探測器的陽極將由電荷讀出平面或CRP組成。它們是大型的穿孔印刷電路板，尺寸為3米，寬3.5米，表面布有銅箔線。就像APA中的電線一樣，CRP中的銅箔線也會收集漂移的電子。

DUNE垂直漂移探測器的電荷讀出平面的特寫

DUNE垂直漂移探測器將在頂部和底部采用多層CRP。CRP聯盟領導人、法國國家科學研究中心的物理學家多米尼克·杜奇斯諾表示：“CRP有2.5毫米的孔，這樣電荷就可以穿過并進入另一層進行收集。”他補充道，“每個CRP層都有不同取向的銅箔線，這讓你有可能看到電子的多個視圖。”

CRP的一個關鍵優勢是，因為它們是由簡單的鍍金屬電路板而不是緊密的線圈制成的，所以它們比APA更便宜，更容易制造和安裝。

凱特爾說：“使用垂直漂移探測器，我們正試圖證明可以制造一種價格較低、工作效果同樣好的探測器。”

因為垂直漂移檢測器技術比水平漂移需要更少的元件，所以它提供了更大的有效體積。西班牙能源、環境和技術研究中心的DUNE物理協調員伊內斯·吉爾-博特拉表示，”更大的有效體積意味著將有更多的空間可以收集粒子相互作用。正在最大限度地提高在這種液態氬中看到中微子相互作用的可能性。”

另一項創新是DUNE科學家計劃為垂直漂移探測器建造的光子探測系統，這是為第一個DUNE遠端探測器模塊開發的ARAPUCA(捕鳥器)技術的升級。這個新系統將覆蓋所有四個低溫恒溫器壁以及帶有光子探測模塊的陰極。(相比之下，在水平漂移探測器中，光子探測器僅嵌入APA平面中，位于電線后面。)為了給設置為300千伏高壓陰極上的光電傳感器供電并讀出光電傳感器，垂直漂移團隊使用了一種通過光纖提供電能的強大激光器。

此外，垂直漂移探測器內的氬將摻雜氙，以增加粒子與液體中的原子相互作用時檢測到的光子數量，并增強整個腔室中光檢測的均勻性。博特拉表示，這些特征加在一起，將使這個光子探測系統更有能力探測低能量物理事件，例如由超新星或太陽中微子事件觸發的事件。

忙碌的活動

DUNE垂直漂移探測器的團隊來自世界各地。歐洲核子研究中心、法國、意大利、西班牙和美國都做出了重大貢獻，但其成員也來自歐洲、亞洲和拉丁美洲的其他幾個國家。“這在許多方面都取得了巨大進展。”凱特爾表示。

這個小組一直很忙碌。到目前為止，他們已經成功在一個50升充滿液體氬的腔室中測試了32厘米乘32厘米的小型CRP，并配有陰極、電子和光子檢測系統。凱特爾表示，這個早期的原型機能夠以“良好的信噪比性能”從宇宙射線軌道中收集數據。他們還在歐洲核子研究中心的一個大型冷箱中測試了全尺寸、3米乘3.5米的CRP，包括陰極、電子器件和光子探測系統。

該團隊已經證明，垂直漂移探測器的組件可以讀出300千伏的信號——這是在全尺寸DUNE探測器中產生電場所需的高電壓。他們還表明，電子可以漂移6米——電子在最終尺寸的模塊中移動的最大距離——并使用CRP來接收這些軌跡。波特拉表示：“我們將面臨的下一個重大里程碑是更大規模地將所有系統安裝在一起。”

該團隊目前正在歐洲核子研究中心的一個約小房子大小的大型低溫容器中，將零件組裝成一個更大的垂直漂移原型，被稱為“垂直漂移模塊-0”。這個原型將在探測器的頂部和底部包含兩個全尺寸的CRP，陰極安裝在中間，并配有一個先進的光子檢測系統。

探測器上半部分被擊中的電子會向上漂移到頂部的CRP層，下半部分產生的電子會向下漂移，直到它們到達底部的CRP層。CRP的研發由法國和歐洲核子研究中心領導，包括歐洲核子研究中心的頂層CRP和美國的底層CRP的建設。

該項目的研究人員的目標是在2023年春季完成垂直漂移原型探測器的安裝。一旦完成，該團隊將向探測器充滿液體氬并打開它，這樣科學家就可以觀察通過它的粒子束和宇宙射線留下的軌跡。

最終，目標是讓垂直漂移探測器的組件于2027年安裝在南達科他州的一個大型洞穴中。

杜奇斯諾表示：“我真正希望看到的是在SURF的大低溫恒溫器上安裝第一批CRP，這將在幾年內實現。與此同時，我認為模塊-0在垂直漂移的真實配置中運行和獲取數據，是非常令人興奮的一步。”