ArgonCube 合作為瑞士伯爾尼大學(xué)的深地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE） 近探測器組裝了四個(gè)原型中微子探測器模塊中的第一個(gè)。該模塊現(xiàn)在正在前往費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行中微子束測試。照片：伊戈?duì)?middot;克雷斯洛
簡而言之，這就是由美國能源部費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室主持的國際深地下中微子實(shí)驗(yàn)在本十年晚些時(shí)候啟動(dòng)時(shí)，近探測器和遠(yuǎn)探測器將看到的差異。但是，DUNE 將通過多個(gè)探測器發(fā)送粒子束，而不是手電筒發(fā)出的光，以解決粒子物理學(xué)中的重大謎團(tuán)——包括宇宙為何以這種方式演化。
實(shí)驗(yàn)的核心是被稱為中微子的難以捉摸的粒子，科學(xué)家們將使用伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和南達(dá)科他州桑福德地下研究設(shè)施 (SURF) 的地下探測器對(duì)其進(jìn)行研究。距離光束源 800 英里(1,300 公里)的遠(yuǎn)探測器每收集四個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)就會(huì)探測到大約一個(gè)中微子——我們比喻中的昏暗光線。距離光束源約 2,000 英尺(600 米)的近探測器將受到中微子的轟擊，每秒捕獲大約 12 個(gè)中微子。
在過去的六年中，來自 31 個(gè)機(jī)構(gòu)的100 多位科學(xué)家和工程師的國際合作一直在研究ArgonCube，這是一種新型探測器，將確保近探測器能夠成功地在沒有“眩光”的情況下清楚地看到所有中微子相互作用來自重疊信號(hào)。一個(gè)原型現(xiàn)在正從瑞士伯爾尼大學(xué)運(yùn)送到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，用實(shí)驗(yàn)室的中微子束進(jìn)行測試。
“有很多人參與其中，包括很多學(xué)生和博士后，”伯爾尼研究近距探測器團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人 Michele Weber 說。“我們都對(duì)創(chuàng)造新事物感到非常興奮。”
創(chuàng)造新事物
中微子分為三種，稱為味。但是由于自然界中的一些被稱為振蕩的量子詭計(jì)，它們?cè)诼眯袝r(shí)會(huì)改變味道。DUNE 的遠(yuǎn)近探測器將記錄從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室到 SURF 的旅程開始和結(jié)束時(shí)構(gòu)成光束的味道。觀察中微子在它們的旅程中如何變化將為科學(xué)家提供關(guān)于物質(zhì)的基本組成部分以及宇宙是如何開始的線索。
兩項(xiàng)主要?jiǎng)?chuàng)新將幫助 ArgonCube 整理大量中微子數(shù)據(jù)。第一個(gè)是像素化電荷讀出，它為數(shù)據(jù)收集增加了第三個(gè)維度。目前最先進(jìn)的探測器，如 ProtoDUNE，一個(gè)巨大的 DUNE 遠(yuǎn)探測器測試平臺(tái)，使用電線進(jìn)行電荷收集。雖然功能強(qiáng)大，但這些系統(tǒng)僅通過疊加多個(gè) 2D 圖像來創(chuàng)建粒子相互作用的 3D 視圖。在近探測器中一連串混亂和重疊的粒子相互作用中，ArgonCube 提供的額外空間維度將使科學(xué)家更容易區(qū)分近乎同時(shí)發(fā)生的中微子事件。每個(gè) ArgonCube 原型模塊大約有 80,000 個(gè)像素。
另一個(gè)幫助科學(xué)家區(qū)分近探測器中多個(gè)中微子相互作用的 ArgonCube 功能是模塊化。最終的探測器將由 35 個(gè)獨(dú)立的 ArgonCube 模塊組成，這些模塊共享一個(gè)低溫氬浴。
“擁有多個(gè)搜索量有助于我們分別查看每個(gè)單獨(dú)的交互，”Weber 說。盡管名稱如此，ArgonCube 模塊實(shí)際上是矩形的。目前前往費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的原型機(jī)高近 6 英尺，底座為 2.5 x 2.5 英尺(1.8 米高，底座約四分之三平方米)。近探測器的最終模塊將高約兩倍，體積增加約 5 倍。
四個(gè) ArgonCube 原型模塊將使用 NuMI 中微子束進(jìn)行測試，由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的主噴射器加速器提供動(dòng)力。每個(gè)模塊近 6 英尺高。DUNE 近探測器將配備 35 個(gè)模塊，每個(gè)模塊的體積是原型模塊的五倍。插圖：Gary Smith，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室
模塊化設(shè)置意味著中微子相互作用產(chǎn)生的電荷和光不需要走那么遠(yuǎn)就能到達(dá)記錄它們的電子設(shè)備。因此，電場電壓不必那么高來吸引這些粒子。這減少了對(duì)高壓電源的需求，并使探測器的操作更容易、更安全。
ArgonCube 還包括一個(gè)改進(jìn)的光檢測系統(tǒng)，對(duì)于重建粒子相互作用的時(shí)間很重要。它還具有一種新的、更緊湊的產(chǎn)生內(nèi)部電場的方式。
建筑模塊
今年早些時(shí)候，研究人員在伯爾尼測試了第一個(gè)完整的 ArgonCube 原型模塊。原型模塊成功地從宇宙射線μ子(地球大氣中產(chǎn)生的高能粒子)中獲取了粒子軌跡。確認(rèn)基本功能后，該團(tuán)隊(duì)使用宇宙射線來檢查探測器的電荷和光探測系統(tǒng)是否協(xié)同工作以捕獲 3D 粒子軌跡。
同一個(gè)模塊及其隨附的低溫系統(tǒng)，現(xiàn)在正在用卡車和船運(yùn)到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一階段的測試。這將是第一個(gè)到達(dá)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的大型 DUNE 原型模塊。第二個(gè)模塊將在初秋推出，然后在 2021 年底再推出兩個(gè)模塊。
Fermilab 團(tuán)隊(duì)計(jì)劃首先在液態(tài)氬測試設(shè)施并排地測試兩個(gè) ArgonCube 模塊。在那里，他們將檢查低溫系統(tǒng)并進(jìn)行與連接模塊和組合信號(hào)相關(guān)的初步故障排除。然后，團(tuán)隊(duì)需要確定如何最好地串聯(lián)安裝和操作模塊。下一步是將所有四個(gè)模塊帶到地下 300 英尺(100 米)處，前往翻新的 MINOS 大廳，使用由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的主噴射器加速器提供動(dòng)力的中微子束(稱為 NuMI 束線)進(jìn)行測試。
“從一個(gè)模塊到兩個(gè)，從兩個(gè)到四個(gè)是一個(gè)很大的變化，”擔(dān)任原型安裝和測試項(xiàng)目經(jīng)理的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家 Ting Miao 說。“在我們進(jìn)行地下工作之前，我們希望充實(shí)操作和安裝的所有細(xì)節(jié)。”
NuMI 光束將模擬 DUNE 附近探測器將看到的中微子的強(qiáng)烈沖擊，并確保探測器可以解開重疊信號(hào)。從明年開始，這些測試將著眼于檢測過程的各個(gè)方面——包括光束定時(shí)、事件選擇和數(shù)據(jù)處理。結(jié)果將確認(rèn)模塊化方法是否有效。他們將幫助 ArgonCube 團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備分析來自 35 個(gè)全尺寸模塊的數(shù)據(jù)，這些模塊將進(jìn)入最終的DUNE 探測器附近。
盡管 ArgonCube 技術(shù)實(shí)現(xiàn)其 DUNE 目標(biāo)還需要幾年的時(shí)間，但自從 2014 年在伯爾尼的一個(gè)咖啡時(shí)光中首次勾勒出下一代模塊化中微子探測器的想法以來，它已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。
“最令人驚奇的是看到這個(gè)探測器的旅程，從黑板和紙片上的第一個(gè)想法到記錄粒子事件，”韋伯說。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主辦的國際深層地下中微子實(shí)驗(yàn)得到了美國能源部科學(xué)辦公室的支持。
費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室得到美國能源部科學(xué)辦公室的支持。科學(xué)辦公室是美國物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者，致力于解決我們這個(gè)時(shí)代一些最緊迫的挑戰(zhàn)。如需更多信息，請(qǐng)?jiān)L問science.energy.gov。
