Imágenes bidimensionales de una interacción de neutrinos en MicroBooNE mostradas en diferentes etapas del procesamiento de la señal (de izquierda a derecha):los datos originales registrados por el detector con algo de ruido en exceso (líneas horizontales); los mismos datos después de eliminar el exceso de ruido; la distribución reconstruida de electrones de ionización después de aplicar una técnica de procesamiento de señales llamada deconvolución en una dimensión; la distribución reconstruida de electrones de ionización después de la última versión del procesamiento de señales, que incluía deconvolución 2D, como se describe en los dos artículos recién publicados. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Los neutrinos son partículas subatómicas sutiles que los científicos creen que juegan un papel clave en la evolución de nuestro universo. Fluyen continuamente a partir de reacciones nucleares en nuestro Sol y otras estrellas, pero atraviesan casi todo, incluso nuestros cuerpos y la Tierra misma, sin dejar rastro. Los científicos que quieran estudiar estos peculiares, las partículas ligeras deben construir detectores extremadamente sensibles.
Un nuevo y revolucionario tipo de detector de neutrinos, diseñado en parte por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), se encuentra en el corazón del experimento MicroBooNE en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE. En dos nuevos papeles, la colaboración de MicroBooNE describe cómo utilizan este detector para detectar los signos reveladores de los neutrinos. Los artículos incluyen detalles de los algoritmos de procesamiento de señales que son fundamentales para reconstruir con precisión las interacciones sutiles de los neutrinos con los átomos en el detector.
Según el físico Xin Qian, líder del grupo de física MicroBooNE de Brookhaven Lab, "El trabajo resumido en estos documentos, que incluyen comparaciones de datos experimentales recopilados recientemente con simulaciones de señales de detector y ruido, demuestra una excelente comprensión del rendimiento del detector de resolución milimétrica de MicroBooNE. Esta comprensión proporciona una base sólida para el uso de esta tecnología de detector para mediciones físicas de precisión no solo en MicroBooNE sino también en experimentos futuros. como el experimento de neutrinos subterráneos profundos ".
Detector dinámico
La pieza central del detector MicroBooNE es una cámara de proyección de tiempo de argón líquido (LArTPC), un tanque del tamaño de un autobús lleno de argón (mantenido líquido a una temperatura de -303 grados Fahrenheit) y revestido con componentes electrónicos diseñados para operar en ese ambiente extremadamente frío. . Este conjunto actúa como una potente cámara digital tomográfica en 3D para capturar las trayectorias de las partículas generadas cuando los neutrinos interactúan con los átomos de argón en el tanque.
Los neutrinos, que vienen en tres "sabores" (electrón, muon, y tau), se originan a partir de un acelerador de protones en Fermilab. En su mayoría navegan a través del detector. Pero de vez en cuando, un neutrino golpea un núcleo de argón en el LArTPC. Esa interacción produce una serie de otras partículas, algunos de los cuales llevan carga eléctrica. A medida que estas partículas cargadas atraviesan el tanque, ellos ionizan, o patear electrones, otros átomos de argón en su camino. Los electrones expulsados quedan atrapados en el poderoso campo eléctrico que rodea el tanque y se desplazan hacia una serie de cables perfectamente dispuestos en tres planos orientados de manera diferente en un extremo:el ánodo. Los componentes electrónicos dentro del tanque recolectan y amplifican las señales generadas por los electrones que golpean los cables y envían esas señales para que se registren. Al rastrear el tiempo y la ubicación de estas señales, el detector puede construir imágenes de las trayectorias de los electrones para revelar información sobre la energía y el sabor del neutrino que desencadenó cada cadena de eventos.
"Desenrollar la señal de ionización en el plano del ánodo es análogo a procesar una película fotográfica en una habitación oscura, excepto que en lugar de agentes químicos y soluciones, los físicos aplican algoritmos de procesamiento de señales para reconstruir la imagen de la interacción de neutrinos, "dijo Brooke Russell, un estudiante graduado de la Universidad de Yale actualmente destinado en Brookhaven Lab.
Procesamiento de la señal
Pero así como es importante obtener la química correcta al procesar películas, Los científicos de rastreo de neutrinos enfrentan desafíos en el desarrollo de sus algoritmos.
Las últimas mejoras en el procesamiento de señales de MicroBooNE Time Projection Chamber (TPC) dan como resultado pistas de partículas 3D reconstruidas más completamente (abajo) que las técnicas anteriores (arriba), que dejó espacios en las imágenes en 3D (consulte las áreas con círculos rojos para comparar). La mejora es crucial para distinguir las señales de interacción de neutrinos (en un círculo verde) de las señales de fondo generadas por los rayos cósmicos que interactúan con el fluido en el TPC. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Por una cosa, las corrientes inducidas por los electrones de ionización a la deriva son generalmente de pequeña magnitud y pueden reducirse aún más si los electrones llegan a los cables durante un período de tiempo prolongado. Además, la "forma de onda" de la corriente producida por un conjunto de electrones a la deriva puede ser cancelada por la de otro conjunto de electrones que lleguen más tarde, como las olas del océano que se aplanan cuando las crestas altas de una onda se alinean con los puntos bajos de otra. Esto hace que sea particularmente difícil discriminar las pequeñas señales del "ruido" de fondo:distorsiones electrónicas generadas por el exceso de carga almacenada en los cables utilizados para transportar las señales. las fuentes de alimentación externas que generan el campo eléctrico del detector, u otras fuentes.
Mantener algunos de los componentes electrónicos dentro de la cámara de argón líquido ayuda a minimizar el ruido al reducir la distancia que las señales deben recorrer antes de ser leídas. Como señaló el investigador postdoctoral asociado de Brookhaven Lab, Brian Kirby, estos "electrónicos fríos de bajo ruido, "diseñado por la División de Instrumentación de Brookhaven, son una tecnología crucial para los grandes LArTPC. "Simplifican el diseño del detector y proporcionan el rendimiento de ruido electrónico necesario para hacer un uso completo de las señales del plano del cable de inducción, " él dijo.
Un segundo desafío es que los electrones a la deriva pueden inducir corriente a través de una extensión de varios cables cercanos, introduciendo la posibilidad de que la forma de onda producida por los electrones que pasan por un cable en particular pueda cancelar una producida por los electrones que pasan por un cable cercano. Estas cancelaciones dependen de la distribución de electrones de ionización, conduciendo a señales muy complejas.
Para abordar este desafío, la colaboración de MicroBooNE desarrolló un algoritmo novedoso para extraer la distribución de electrones de la corriente inducida medida en los cables. La base del algoritmo es una técnica matemática llamada deconvolución, lo que simplificó enormemente la "señal" al eliminar la respuesta de inducción muy compleja de la cámara de argón líquido, para que los científicos puedan extraer la ubicación y distribución de los electrones que llegan a los planos de los cables.
Esta deconvolución se realiza en dos dimensiones (2-D). Según el investigador asociado postdoctoral de Brookhaven, Hanyu Wei, la primera 'D' es un análisis matemático común de la forma de onda a lo largo del tiempo, y la segunda 'D' tiene en cuenta el efecto de largo alcance de las señales de inducción a través de múltiples cables. Al identificar "regiones de interés" específicas en la señal, los científicos también pueden mitigar el aumento del ruido de baja frecuencia con la técnica de deconvolución.
MicroBooNE es el primer detector capaz de igualar el número de electrones detectados en los tres planos de cables de un LArTPC.
"Dado que cada uno de los planos de los cables detecta los mismos grupos de electrones a la deriva, esperaría medir la misma cantidad de carga de cada avión, "dijo Michael Mooney, un ex asociado de investigación postdoctoral de Brookhaven Lab que ahora es un nuevo miembro de la facultad en la Universidad Estatal de Colorado. Pero debido a la complejidad de las señales en los planos del cable de inducción, ningún detector LArTPC anterior ha podido hacer esto.
"Nuestra demostración basada en datos de que la coincidencia local de carga entre planos es factible en un LArTPC abre las puertas a nuevos tipos de técnicas de reconstrucción que apuntan primero a crear una imagen tridimensional de la interacción neutrino-argón, y podrían mejorar en gran medida nuestra capacidad. para determinar con precisión las propiedades del neutrino, "Dijo Mooney.
La cámara de proyección de tiempo MicroBooNE del tamaño de un autobús escolar. Crédito:Fermilab
Simulaciones frente a datos
El equipo de MicroBooNE también desarrolló simulaciones significativamente mejoradas de señales y ruido de TPC esperados, teniendo en cuenta el efecto de inducción de largo alcance mencionado anteriormente y la posición exacta del electrón a la deriva dentro de una región de cable, y utilizó estas nuevas simulaciones para evaluar cuantitativamente su algoritmo de procesamiento de señales. La comparación de las simulaciones con los resultados extraídos de datos reales produjo resultados consistentes, que es un paso crucial hacia el uso del detector para estudios de física.
"La coherencia entre la nueva simulación y los datos nos da la confianza de que entendemos nuestro detector en el nivel fundamental, que es fundamental para los próximos análisis de física en MicroBooNE, ", dijo el físico de Brookhaven Lab, Chao Zhang.
El físico de Brookhaven Lab, Brett Viren, señaló:"La capacidad de proporcionar una simulación más precisa tanto del ruido como de las señales de los cables LArTPC nos permite validar las técnicas de reconstrucción y evaluar cuantitativamente sus eficiencias. Estas mejoras también facilitarán el uso de estas simulaciones y técnicas modernas de aprendizaje automático, que deben tener conjuntos de capacitación que imitar de cerca el dispositivo real, para mejorar la precisión del detector LArTPC ".
El equipo ha desarrollado software tanto para el algoritmo de procesamiento de señales como para las simulaciones mejoradas de señal y ruido en un "Kit de herramientas de celda de cable". Este paquete de software puede ejecutarse en arquitecturas informáticas convencionales de unidad central de procesamiento (CPU) y también podría configurarse para arquitecturas altamente paralelas de sistemas informáticos de alto rendimiento (HPC).
"Todos estos logros en el procesamiento de señales, simulación, y la comparación de simulación de datos nos acercan a aprovechar todo el potencial de la tecnología de detectores LArTPC, ", dijo Qian de Brookhaven." Ahora esperamos los resultados emocionantes que vendrán de MicroBooNE.
"Además, Los avances en MicroBooNE sientan las bases para las técnicas de detección y procesamiento de señales que se utilizarán con detectores LArTPC más grandes, incluidos los que se están desarrollando para DUNE. que está programado para estar en línea a mediados de la década de 2020 ".
Para DUNE, La instalación de neutrinos de línea de base larga de Fermilab disparará un rayo de neutrinos a través de la Tierra desde Illinois hasta una antigua mina de oro en las profundidades de Dakota del Sur. Hasta cuatro detectores en la caverna se basarán en la capacidad de MicroBoone del tamaño de un autobús para rastrear partículas con alta precisión al tener tanques colosales cada uno con 100 veces el volumen capaz de precisar las posiciones de las partículas dentro de un par de milímetros.
"Los detectores LArTPC son la única tecnología que puede lograr esta precisión a esta gran escala. Eso es lo que los hace verdaderamente revolucionarios, "Dijo Qian.
