幸運的是，物理學家已經開發出降低宇宙“噪音”的工具。
一個包括來自美國能源部布魯克海文國家實驗室的物理學家在內的團隊在最近接受發表在《物理評論應用》和《儀器雜志》上的兩篇論文中描述了這種方法。這些論文證明了科學家們從美國能源部費米國家加速器實驗室的 MicroBooNE 探測器中提取清晰的中微子信號的能力。該方法將類似 CT 掃描儀的圖像重建與數據篩選技術相結合，使加速器產生的中微子信號在宇宙射線背景下以 5 比 1 的比例脫穎而出。
“我們開發了一套算法，可以將宇宙射線背景降低 100,000 倍，”幫助開發數據過濾技術的布魯克海文實驗室物理學家之一的張超說。他說，如果沒有過濾，MicroBooNE 將在每次中微子相互作用中看到 20,000 條宇宙射線。 “這篇論文展示了消除宇宙射線背景的關鍵能力。”
MicroBooNE 聯合發言人、耶魯大學教授邦妮·弗萊明 (Bonnie Fleming) 說：“這項工作對 MicroBooNE 和未來的美國中微子研究計劃都至關重要。它的影響將明顯超出這種‘線細胞’分析技術的使用，甚至在 MicroBooNE 上也是如此，在 MicroBooNE 上，其他重建范式已采用這些數據分類方法來顯著減少宇宙射線背景。”
追蹤中微子
MicroBooNE 是構成費米實驗室國際短基線中微子計劃的三個探測器之一，每個探測器都位于與產生精心控制的中微子束的粒子加速器的不同距離處。這三個探測器旨在計算距離越來越遠的不同類型的中微子，以根據光束中中微子的混合和已知的中微子“振蕩”來尋找與預期的差異。振蕩是中微子在三種已知類型或“味道”之間交換身份的過程。發現中微子數量的差異可能指向一種新的未知振蕩機制——可能還有第四種中微子。
MicroBooNE 探測器的工作原理：中微子相互作用產生帶電粒子并產生閃光。帶電粒子電離氬原子并產生自由電子。電子在外部電場作用下向三個導線平面漂移，并在導線上感應出信號。導線從不同角度有效地記錄了粒子活動的三個圖像。閃光(光子)由線平面后面的光電倍增管檢測到，它告訴相互作用何時發生。科學家們使用來自三個導線平面的圖像和相互作用的時間來重建由中微子相互作用產生的軌跡以及它在探測器中發生的位置。插圖：MicroBooNE
布魯克海文實驗室的科學家在設計 MicroBooNE 探測器方面發揮了重要作用，尤其是在探測器的超冷液態氬填充時間投影室中運行的敏感電子設備。當來自費米實驗室加速器的中微子進入腔室時，中微子會時不時地與氬原子相互作用，將一些粒子(質子或中子)踢出其原子核，并產生其他粒子(μ子、介子)和閃光。被踢出的帶電粒子使探測器中的氬原子電離，將它們的一些電子撞出軌道。沿著這些電離軌跡形成的電子會被檢測器的靈敏電子設備接收。
“整個電子軌跡沿著電場漂移，并穿過探測器一端具有不同方向的三個連續的導線平面，”張說。 “當電子接近導線時，它們會感應出一個信號，因此每組導線都會從不同的角度創建軌跡的 2D 圖像。”
與此同時，在中微子相互作用時產生的閃光被位于線陣列之外的光電倍增管接收。這些光信號告訴科學家中微子相互作用何時發生以及軌道到達線平面需要多長時間。
計算機將該時間轉換為距離并將 2D 軌跡圖像拼湊在一起，以重建探測器中中微子相互作用的 3D 圖像。軌道的形狀告訴科學家哪種中微子觸發了相互作用。
“這種 3D 'Wire-Cell' 圖像重建類似于使用計算機斷層掃描儀進行的醫學成像，”張解釋說。在 CT 掃描儀中，傳感器從不同角度捕捉身體內部結構的快照，然后計算機將圖像拼湊在一起。 “想象一下，當一個人進入掃描儀時，粒子軌跡穿過三個線平面，”他說。
解開宇宙網
這聽起來幾乎很簡單——如果你忘記了同時流過探測器的數千條宇宙射線。它們的電離軌跡也會通過掃描線漂移，產生看起來像纏結網的圖像。這就是為什么 MicroBooNE 科學家一直致力于研究復雜的“觸發器”和算法來篩選數據，以便他們能夠提取中微子信號。
到 2017 年，他們在降低宇宙射線噪聲方面取得了實質性進展。但即便如此，宇宙射線的數量還是比中微子軌道的數量多約 200 比 1。新論文描述了進一步降低這一比例的技術，并將其翻轉到現在 MicroBooNE 中的中微子信號在宇宙射線背景下以 5 比 1 突出的程度。
第一步涉及將中微子相互作用中產生的粒子所揭示的信號與光電倍增管從該相互作用中拾取的精確閃光進行匹配。
MicroBooNE 時間投影室被裝入容器容器中。安裝在室后部的光電倍增管通過檢測同時產生的閃光，有助于識別時間投影室中中微子產生的粒子軌跡。照片：費米實驗室
“這不容易!”布魯克海文實驗室的物理學家錢新說。 “因為時間投影室和光電倍增管是兩個不同的系統，我們不知道哪個閃光對應于探測器中的哪個事件。我們必須將每個光電倍增管的光模式與這些粒子的所有位置進行比較。如果您正確完成了所有匹配，您將找到一個 3D 對象，該對象對應于光電倍增管測量的單個閃光。”
布魯克·羅素 (Brooke Russell) 作為耶魯大學的研究生從事分析工作，現在是美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的博士后研究員，他回應了這些關于光匹配挑戰的評論。 “考慮到電荷信息在某些情況下與光信息不完全互補，在單次讀出的基礎上，電荷-光配對可能存在歧義。團隊開發的算法有助于解釋這些細微差別，”她說。
盡管如此，科學家們還必須將每個軌道的時間與發射加速器中微子的時間進行比較(他們知道這個因素，因為他們控制加速器光束)。 “如果時間一致，那么可能是中微子相互作用，”錢說。
布魯克海文團隊開發的算法將比例降低到每六個宇宙射線事件一個中微子。
通過消除完全穿過探測器的軌跡的算法，拒絕額外的宇宙射線變得更容易一些。
“大多數宇宙射線從上到下或從一側到另一側穿過探測器，”研究該算法的布魯克海文實驗室博士后向攀說。 “如果你能確定軌道的入口和出口點，你就知道這是一條宇宙射線。由中微子相互作用形成的粒子必須從發生相互作用的探測器中間開始。”
這使得中微子相互作用與宇宙射線的比率達到 1:1。
應用“電荷-光”匹配算法之前和之后的示例電子-中微子事件。在 4.8 毫秒的事件記錄期間，中微子相互作用通常與大約 20 條宇宙射線混合。將電線記錄的中微子相互作用的“電荷”信號與光電倍增管記錄的“光”信號進行匹配后，可以從宇宙射線背景中清楚地挑出它。在事件顯示中，黑點來自電子-中微子相互作用，彩色點是背景宇宙射線。每個紅色圓圈的大小顯示了每個光電倍增管的匹配光信號強度。插圖：MicroBooNE
一個額外的算法篩選出從探測器外部開始并在中間某處停止的事件——這些事件看起來類似于中微子事件，但方向相反。最后一個微調步驟排除了閃光與事件不匹配的事件，使中微子事件的檢測與宇宙射線相比達到 5 比 1 的顯著水平。
“這是我從事過的最具挑戰性的分析之一，”領導分析工作的布魯克海文實驗室博士后研究員 Hanyu Wei 說。 “液氬時間投射室是一種新的探測器技術，具有許多令人驚訝的功能。我們不得不發明許多原創方法。這真的是一個團隊的努力。”
張對這一觀點表示贊同并說：“我們希望這項工作能夠顯著提高 MicroBooNE 實驗在短基線上探索有趣物理的潛力。事實上，我們期待在所有三個短基線中微子探測器的實驗中實施這些技術，以了解我們對中微子振蕩的了解以及第四種中微子類型的可能存在。”
這項工作是由美國能源部科學辦公室資助的。為MicroBooNE和其他短基線中微子實驗創造中微子的費米實驗室加速器綜合體是美國能源部科學辦公室的用戶設施。
