美國能源部費米國家加速器實驗室的短基線中微子計劃的艱巨任務是尋找標準模型以外的物理學，并研究宇宙中最難以捉摸的粒子的行為。

該計劃由三個探測器組成——短基線近探測器、MicroBooNE 和 ICARUS——將擴展費米實驗室國際知名的中微子研究活動。通過用這些探測器研究中微子的特性，科學家們將更多地了解這些微小粒子在宇宙中的作用。

在費米實驗室，三個探測器將沿著一條直線交錯排列，每個探測器都探測強烈的中微子束。正在建設中的 SBND 將最靠近中微子束源，距離質子撞擊目標并產生 μ 中微子束的區域僅 110 米。MicroBooNE 于 2015 年開始采集數據，距 SBND 360 米，將于今年秋季開始物理運行的 ICARUS 距 MicroBooNE 130 米。

這些探測器將一起以前所未有的細節研究中微子振蕩。在這個過程中，單個中微子在穿過空間時可以在三種已知的中微子類型之間轉換。如果存在第四種類型的中微子，或者中微子的行為與當前理論預測的不同，科學家們希望在三個探測器觀測到的中微子振蕩模式中找到這種新物理學的證據。

完成后，SBND 的檢測器將懸掛在充滿液態氬的腔室中。當中微子進入腔室并與氬原子碰撞時，它會發出帶電粒子和光的噴霧，探測器會記錄下來。這些信號將為科學家提供信息，以重建中微子-氬碰撞中出現的所有粒子軌跡的精確 3D 圖像。

該項目的技術協調員、科學家安妮·舒克拉夫特 (Anne Schukraft) 說：“你會看到一張圖像，它以如此小的比例向你展示了如此多的細節。” “如果將其與上一代實驗進行比較，它確實為您打開了一個可以學習的新世界。”

充電

在電池供電的電路中，電子在負極和正極端子之間流動。在 SBND 中，中微子碰撞后產生的電子將跟隨探測器內部產生的電場：兩個陽極平面和一個帶負電荷的陰極平面。然而，這不是一個小電路。每個平面的尺寸為 5 x 4 米，陰極和每個陽極之間的電場為每厘米 500 伏特，陰極傳導高達 100,000 伏特的電壓。

兩個陽極平面，每一個都由間隔 3 毫米的精致電線制成，將覆蓋立方體形探測器的兩個相對側壁。它們將收集由探測器內部碰撞產生的粒子產生的電子，而它們后面的光傳感器將記錄光子或光粒子。

在探測器的中間，一個覆蓋著反射箔的垂直平面將作為陰極。組裝團隊于 7 月下旬將重陰極平面降低到探測器鋼架中的適當位置，并預計在 10 月初安裝第一個陽極平面。在安裝之前，每個光敏層都保持在一個特殊的受控清潔區域。

完全組裝后，探測器將重達 100 多噸，并充滿保持在負 190 攝氏度的氬氣。整個設備將放置在一個低溫恒溫器中，該低溫恒溫器由厚鋼和隔熱板制成，可讓一切保持低溫。一個復雜的管道系統將對液態氬進行循環和過濾，以保持其清潔。

中微子科學家，集合
世界各地的不同團體——主要位于美國、英國、巴西和瑞士——制造了探測器部件并將它們運往費米實驗室。但是，正在組裝探測器框架的類似倉庫的建筑物并不是探測器永遠的家。

一旦組件安裝在鋼框架中，該團隊將把探測器運送到費米實驗室幾英里之外的 SBND 大樓，工作人員正在那里建造低溫恒溫器，探測器將在那里實際收集其數據。Schukraft 估計 SBND 將在 2023 年初首次發布數據。

“SBND 的好處是我們從頭開始構建它，”雪城大學的博士后研究員 Mônica Nunes 說。“所以我們在這個過程中學到的一切都將對下一代中微子實驗非常有用。”


SBND 將補充 MicroBooNE 和 ICARUS 作為超越標準模型的物理學的三重探測器。特別是，研究人員正在尋找惰性中微子，一種不與弱力相互作用的中微子。之前的兩個實驗，洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍體中微子探測器和費米實驗室的 MiniBooNE，發現了暗示這些難以捉摸的粒子存在的異常現象。通過測量中微子如何振蕩和轉換類型，SBN 計劃旨在確認或質疑這些異常現象，并添加更多支持或反對惰性中微子存在的證據。

“我們的想法是在非常靠近中微子源的地方安裝一個探測器，以期捕捉到這種中微子，”探測器組件的聯合經理羅伯托·阿恰里 (Roberto Acciarri) 說。“然后，我們有一個遠處的探測器和一個中間的探測器，看看我們是否能看到無菌中微子產生時和它們振蕩離開時的情況。"

SBND 研究人員還將高精度地研究中微子如何與充滿探測器的氬原子相互作用。由于 SBND 離中微子束的起源如此之近，它每年將記錄超過一百萬次中微子-氬相互作用。這些相互作用的物理學是未來中微子實驗的一個重要元素，這些實驗將使用液氬探測器，例如深地下中微子實驗。

“很高興看到幾乎每天都有進步，”Schukraft 說。“我們都急切地等待著這個實驗開始獲取數據。”

Fermilab SBND 項目得到美國能源部科學辦公室的支持。