Se ha demostrado un experimento para capturar imágenes en 3D sin precedentes de las trayectorias de partículas cargadas utilizando rayos cósmicos que golpean y viajan a través de un criostato lleno de una tonelada de argón líquido. Los resultados confirman las capacidades de una nueva tecnología de detección para la física de partículas desarrollada por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) en colaboración con varios socios industriales y universitarios.

Innovador en escala para esta nueva tecnología, el experimento de la Universidad de Berna, Suiza, dirigida de forma remota debido a la pandemia COVID-19, demuestra estar preparada para un proyecto mucho más grande y ambicioso:el Experimento de neutrinos subterráneos profundos (DUNE), dijo el científico y líder del equipo de Berkeley Lab, Dan Dwyer.

En solo unos pocos años, el equipo de Berkeley Lab ha hecho realidad un concepto ambicioso llamado LArPix (píxeles de argón líquido), Dijo Dwyer. "Hemos superado desafíos en el ruido, el consumo de energía, compatibilidad criogénica, y, más recientemente, escalabilidad / confiabilidad mediante la transferencia de muchos aspectos de esta tecnología a la fabricación industrial ".

DUNE es una importante instalación científica nueva que está construyendo el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para estudiar las propiedades de los neutrinos subatómicos que se dispararán bajo tierra desde un acelerador en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE cerca de Chicago. Dwyer explicó. Los neutrinos son partículas extremadamente ligeras que interactúan débilmente con la materia, algo que a los investigadores les gustaría comprender mejor en su búsqueda para responder preguntas fundamentales sobre el universo.

Los neutrinos producidos por el acelerador Fermilab pasarán a través de un detector cercano, equipado con LArPix, en el sitio de Fermilab antes de continuar para completar su viaje de 700 millas en una mina subterránea profunda en Dakota del Sur.

LArPix es un avance en cómo detectar y registrar señales en cámaras de proyección de tiempo de argón líquido (LArTPC), una tecnología de elección para futuros experimentos de neutrinos y materia oscura, Dwyer explicó.

En un LArTPC, Las partículas subatómicas energéticas entran en la cámara y liberan o ionizan electrones en el argón líquido. Un fuerte, El campo eléctrico aplicado externamente desplaza los electrones hacia un lado del ánodo de la cámara del detector donde típicamente un plano de cables actúa como antenas sensibles para leer estas señales y crear imágenes 2D estereoscópicas del evento. Pero esta tecnología no es suficiente para hacer frente a la intensidad y complejidad de los eventos de neutrinos que se leerán para el detector cercano DUNE, Dijo Dwyer.

"Entonces, ahí es donde entramos en Berkeley Lab con esta lectura de píxeles en 3D real proporcionada por LArPix, "Dwyer dijo." Nos permitirá obtener imágenes de neutrinos DUNE con alta fidelidad en un entorno muy ajetreado ".

Usando LArPix, él explicó, los planos de cables se reemplazan con matrices de píxeles metálicos fabricados en placas de circuitos electrónicos estándar, que se puede fabricar fácilmente. La electrónica de baja potencia, él dijo, son compatibles con las exigencias del estado criogénico del medio líquido de argón.

Este último logro no hubiera sido posible sin la sólida asociación con ArgonCube Collaboration, un equipo de científicos centrado en el avance de la tecnología LArTPC, centrado en la Universidad de Berna. Para los experimentos de Berna, los investigadores utilizaron una cámara detectora con 80, 000 píxeles sumergidos en una tonelada de argón líquido a -330 grados Fahrenheit. El sistema, él dijo, proporcionó alta fidelidad, Imágenes en 3D verdaderas de lluvias de rayos cósmicos mientras viajaban a través del detector.

"Este es un hito importante en el desarrollo de LArTPC y el detector cercano DUNE, "dijo Michele Weber, Director del Laboratorio de Física de Altas Energías de la Universidad de Berna, quien también se desempeña como líder del Consorcio Internacional DUNE responsable de la construcción de este detector.

"Es mucho más complicado que cualquier cosa que se haya creado para los LArTPC, "dijo Brooke Russell, becario postdoctoral en Berkeley Lab y miembro del equipo de LArPix. Con 80, 000 canales, ella dijo, La carrera de LArPix en Berna superó con creces a las anteriores 15 de última generación, 000 canal LArTPC. "El nivel de complejidad de los cables a los píxeles creció exponencialmente, " ella dijo.

Socios de UC Berkeley, Caltech, Universidad Estatal de Colorado, Rutgers, UC Davis, UC Irvine, UC Santa Bárbara, UPenn, y la Universidad de Texas en Arlington ayudaron a los investigadores a desarrollar y probar este sistema mucho más grande.

Para DUNE, Dwyer dijo:el sistema debe escalar a más de 10 millones de píxeles que se asentarán en unas 300 toneladas de argón líquido. Dijo que esto es factible tanto por la naturaleza modular de las cámaras del detector como por la capacidad de colocar placas LArPix compuestas por miles de detectores de píxeles individuales.

"Esta tecnología permitirá que el detector cercano DUNE supere la acumulación de señales resultante de la alta intensidad del haz de neutrinos en el sitio, "Dwyer dijo." También puede encontrar uso en los detectores lejanos DUNE, otros experimentos de física, así como aplicaciones no físicas, " él dijo.

En los detectores lejanos de DUNE, Los científicos medirán cómo cambia el sabor cuántico de los neutrinos en tránsito desde el detector cercano.

Al estudiar los neutrinos, "creemos que podemos aprender algo sobre los misterios más profundos del universo, en particular preguntas como por qué hay más materia que antimateria en el universo, "Explicó Dwyer.

Para que DUNE tenga éxito, los físicos de partículas "necesitaban un nivel de pensamiento innovador cuando se trataba de tecnología de detectores, ", Dijo Russell." Para cualquier avance en la física de partículas experimental, por supuesto, se necesitan ideas novedosas, ", agregó." Pero si su hardware no puede cumplir, simplemente no puede realizar la medición ".