Es 2019. Queremos nuestros teléfonos móviles rápido, nuestras computadoras más rápidas y pantallas tan nítidas que rivalizan con una mañana en las montañas. Somos una sociedad digital y las fotos borrosas de las cámaras de papa no serán suficientes para las masas. Físicos resulta, no son diferentes, y quieren el mismo chasquido agudo de sus detectores de neutrinos.

Cue ArgonCube:un prototipo de detector en desarrollo que está llevando una tecnología aún floreciente a nuevas alturas con un plan para capturar pistas de partículas dignas de ese televisor 4K. ¿El secreto en su corazón? Se trata de píxeles.

Pero retrocedamos dos pasos. El argón es un elemento que constituye aproximadamente el 1 por ciento del aire dulce que respira. Durante las últimas décadas, la forma líquida del argón se ha convertido en el medio preferido para los detectores de neutrinos. Los neutrinos son esas molestas partículas fundamentales que rara vez interactúan con algo, pero podrían ser la clave para comprender por qué hay tanta materia en el universo.

Grandes detectores llenos de frío el argón denso proporciona muchos núcleos atómicos para que los neutrinos choquen e interactúen con ellos, especialmente cuando los operadores de aceleradores envían haces que contienen billones de pequeñas cosas. Cuando los neutrinos interactúan, crean lluvias de otras partículas y luces que los componentes electrónicos del detector capturan y transforman en imágenes.

Cada imagen es una instantánea que captura una interacción de uno de los más misteriosos, frívolo, partículas escurridizas por ahí; una partícula que causó a Wolfgang Pauli, al proponerlo en 1930, para lamentar que pensaba que los experimentadores nunca serían capaces de detectarlo.

Detectores actuales de neutrinos de argón líquido de última generación:grandes actores como MicroBooNE, ICARUS y ProtoDUNE:utilice cables para capturar los electrones que se desprenden de las interacciones de los neutrinos. Vastos planos de miles de cables entrecruzan los detectores, cada conjunto recopila coordenadas que se combinan mediante algoritmos en reconstrucciones tridimensionales de la interacción de un neutrino.

Estas configuraciones son efectivas, bien entendido y una excelente opción para grandes proyectos, y no hay nada más grande que el Experimento internacional de neutrinos subterráneos profundos organizado por Fermilab.

DUNE examinará cómo cambian los tres tipos conocidos de neutrinos a medida que viajan largas distancias, explorando más a fondo un fenómeno llamado oscilaciones de neutrinos. Los científicos enviarán billones de neutrinos desde Fermilab cada segundo en un 1, Viaje de 300 kilómetros a través de la tierra, sin necesidad de túnel, hasta Dakota del Sur. DUNE utilizará cámaras de cables en algunos de los cuatro enormes módulos detectores lejanos, cada uno con más de 17, 000 toneladas de argón líquido.

Pero los científicos también necesitan medir el haz de neutrinos cuando sale del Fermilab, donde el detector cercano DUNE estará cerca de la fuente de neutrinos y verá más interacciones.

"Esperamos que el haz sea tan intenso que tendrá una docena de interacciones de neutrinos por pulso de haz, y todos estos se superpondrán dentro de su detector, "dijo Dan Dwyer, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que trabaja en ArgonCube. Tratar de desenredar una gran cantidad de eventos utilizando imágenes de cables en 2-D es un desafío. "El detector cercano será un nuevo rango de complejidad".

Y nueva complejidad, en este caso, significa desarrollar un nuevo tipo de detector de argón líquido.

Pixel me esto

La gente había pensado en hacer un detector pixelado antes, pero nunca despegó.

"Esto fue un sueño, "dijo Antonio Ereditato, padre de la colaboración ArgonCube y científico de la Universidad de Berna en Suiza. "Desarrollamos esta idea original en Berna, y estaba claro que solo podía volar con la electrónica adecuada. Sin ello, esto hubiera sido solo una ilusión. Nuestros colegas de Berkeley tenían justo lo que se necesitaba ".

Los píxeles son pequeños y los detectores de neutrinos no lo son. Puede caber aproximadamente 100, 000 píxeles por metro cuadrado. Cada uno es un canal único que, una vez equipado con componentes electrónicos, puede proporcionar información sobre lo que está sucediendo en el detector. Para ser lo suficientemente sensible los diminutos componentes electrónicos deben colocarse junto a los píxeles dentro del argón líquido. Pero eso plantea un desafío.

"Si usaran incluso la energía de sus dispositivos electrónicos estándar, tu detector simplemente herviría, "Dijo Dwyer. Y un detector de argón líquido solo funciona cuando el argón permanece ... bueno, líquido.

Entonces, Dwyer y el ingeniero de ASIC Carl Grace en Berkeley Lab propusieron un nuevo enfoque:¿Qué pasaría si dejaran cada píxel inactivo?

"Cuando la señal llega al píxel, se despierta y dice, "Oye, hay una señal aquí, "" Explicó Dwyer. "Luego registra la señal, lo envía y se vuelve a dormir. Pudimos reducir drásticamente la cantidad de energía ".

A menos de 100 microvatios por píxel, esta solución parecía un diseño prometedor que no convertiría el detector en una torre de gas. Reunieron un circuito prototipo personalizado y comenzaron a probar. El nuevo diseño de la electrónica funcionó.

La primera prueba fue de tan solo 128 píxeles, pero las cosas escalaron rápidamente. El equipo comenzó a trabajar en el desafío de píxeles en diciembre de 2016. En enero de 2018 habían viajado con sus chips a Suiza, los instaló en el detector de prueba de argón líquido construido por los científicos de Berna y recogió sus primeras imágenes tridimensionales de rayos cósmicos.

"Fue conmoción y alegría, "Dijo Dwyer.

Para la próxima instalación en Fermilab, los colaboradores necesitarán aún más electrónica. El siguiente paso es trabajar con los fabricantes de la industria para fabricar comercialmente los chips y las placas de lectura que admitirán alrededor de medio millón de píxeles. Y Dwyer ha recibido un premio a la carrera temprana del Departamento de Energía por continuar su investigación sobre la electrónica de píxeles, complementando la subvención suiza SNSF para el grupo de Berna.

"Estamos tratando de hacer esto en un horario muy agresivo, es otra carrera loca, "Dwyer dijo." Hemos reunido un gran equipo en ArgonCube y hemos hecho un gran trabajo al demostrar que podemos hacer que esta tecnología funcione para el detector cercano DUNE. Y eso es importante para la física, al final del día."

Más innovaciones por delante

Mientras que la electrónica centrada en píxeles de ArgonCube se destaca, no son las únicas innovaciones tecnológicas que los científicos planean implementar para el próximo detector cercano de DUNE. Hay investigación y desarrollo sobre un nuevo tipo de sistema de detección de luz y nueva tecnología para dar forma al campo eléctrico que atrae la señal hacia la electrónica. Y, por supuesto, están los módulos.

La mayoría de los detectores de argón líquido utilizan un recipiente grande lleno de argón y no mucho más. Las señales se desplazan largas distancias a través del fluido hasta los cables largos tendidos a lo largo de un lado del detector. Pero ArgonCube apuesta por algo mucho más modular, dividiendo el detector en unidades más pequeñas aún contenidas dentro del criostato circundante. Esto tiene ciertas ventajas:la señal no tiene que viajar tan lejos, el argón no tiene que ser tan puro para que la señal llegue a su destino, y los científicos podrían recuperar y reparar módulos individuales si fuera necesario.

"Es un poco más complicado que el típico, detector de cable, "dijo Min Jeong Kim, quien dirige el equipo de Fermilab que trabaja en la criogenia y participará en la integración mecánica del banco de pruebas del prototipo ArgonCube. "Tenemos que averiguar cómo interactuarán estos módulos con el sistema criogénico".

Eso significa averiguar todo, desde llenar el detector con argón líquido y mantener la presión correcta durante el funcionamiento hasta filtrar adecuadamente las impurezas del argón y hacer circular el fluido alrededor (y a través) de los módulos para mantener una distribución uniforme de la temperatura.

El prototipo ArgonCube que se está ensamblando en la Universidad de Berna estará en funcionamiento hasta finales de año antes de ser enviado a Fermilab e instalado 100 metros bajo tierra. convirtiéndolo en el primer gran prototipo de DUNE enviado a Fermilab y probado con neutrinos. Después de resolver sus problemas, los investigadores pueden finalizar el diseño y construir el detector ArgonCube completo.

La instrumentación y los componentes adicionales, como una cámara de gas-argón y un espectrómetro de haz, completarán el detector cercano.

Es un momento emocionante para los 100 físicos de 23 instituciones que trabajan en ArgonCube, y para los más de 1, 000 físicos de neutrinos de más de 30 países que trabajan en DUNE. Lo que comenzó como una ilusión se ha convertido en una realidad, y nadie sabe hasta dónde podría llegar la tecnología de píxeles.

Ereditato incluso sueña con reemplazar el diseño de uno de los cuatro enormes módulos detectores de distancia DUNE por una versión pixelada. Pero una cosa a la vez él dice.

"En este momento nos estamos concentrando en construir el mejor detector cercano posible para DUNE, "Dijo Ereditato." Ha sido un largo camino, con mucha gente involucrada, pero la tecnología del argón líquido aún es joven. La tecnología ArgonCube es la prueba de que la técnica tiene el potencial de funcionar aún mejor en el futuro ".