Cámara de proyección de tiempo de MicroBooNE, donde tienen lugar las interacciones de neutrinos, durante el montaje en Fermilab. La cámara mide diez metros de largo y dos metros y medio de alto. Crédito:Fermilab
¿Cómo ves un neutrino subatómico en un "pajar" de partículas que fluyen desde el espacio? Esa es la perspectiva desalentadora que enfrentan los físicos que estudian neutrinos con detectores cerca de la superficie de la Tierra. Con poco o ningún blindaje en lugares no subterráneos, detectores de neutrinos de superficie, generalmente buscando neutrinos producidos por aceleradores de partículas, son bombardeados por rayos cósmicos, lluvias incesantes de partículas subatómicas y nucleares producidas en la atmósfera de la Tierra por interacciones con partículas que fluyen desde lugares cósmicos más distantes. Estos abundantes viajeros, principalmente muones, crear una red de pistas de partículas entrecruzadas que pueden ocultar fácilmente un evento de neutrinos poco común.
Afortunadamente, Los físicos han desarrollado herramientas para atenuar el "ruido" cósmico.
Un equipo que incluye a físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Describe el enfoque en dos artículos recientemente aceptados para ser publicados en Revisión física aplicada y el Revista de instrumentación (JINST) . Estos artículos demuestran la capacidad de los científicos para extraer señales claras de neutrinos del detector MicroBooNE en el Fermi National Accelerator Laboratory del DOE (Fermilab). El método combina la reconstrucción de imágenes similar a un escáner de TC con técnicas de cribado de datos que hacen que las señales de neutrinos producidas por el acelerador se destaquen 5 a 1 contra el fondo de rayos cósmicos.
"Desarrollamos un conjunto de algoritmos que reducen el fondo de rayos cósmicos en un factor de 100, 000, "dijo Chao Zhang, uno de los físicos del Brookhaven Lab que ayudó a desarrollar las técnicas de filtrado de datos. Sin el filtrado, MicroBooNE vería 20, 000 rayos cósmicos por cada interacción de neutrinos, él dijo. "Este artículo demuestra la capacidad crucial de eliminar los fondos de rayos cósmicos".
Bonnie Fleming, un profesor de la Universidad de Yale que es co-portavoz de MicroBooNE, dijo, "Este trabajo es fundamental tanto para MicroBooNE como para el futuro programa de investigación de neutrinos de EE. UU. Su impacto se extenderá notablemente más allá del uso de esta técnica de análisis" Wire-Cell ", incluso en MicroBooNE, donde otros paradigmas de reconstrucción han adoptado estos métodos de clasificación de datos para reducir drásticamente los fondos de rayos cósmicos ".
Seguimiento de neutrinos
MicroBooNE es uno de los tres detectores que forman el programa internacional Short-Baseline Neutrino en Fermilab, cada uno ubicado a una distancia diferente de un acelerador de partículas que genera un haz de neutrinos cuidadosamente controlado. Los tres detectores están diseñados para contar diferentes tipos de neutrinos a distancias crecientes para buscar discrepancias de lo que se espera basado en la mezcla de neutrinos en el haz y lo que se conoce sobre la "oscilación" de neutrinos. La oscilación es un proceso mediante el cual los neutrinos intercambian identidades entre tres tipos conocidos, o "sabores". Detectar discrepancias en los recuentos de neutrinos podría apuntar a un nuevo mecanismo de oscilación desconocido, y posiblemente a una cuarta variedad de neutrinos.
Izquierda:La cámara de proyección de tiempo MicroBooNE (TPC) se está cargando en el recipiente contenedor. Los tubos fotomultiplicadores montados en la parte posterior de la cámara (derecha) ayudan a identificar las pistas de partículas generadas por los neutrinos en el TPC al detectar destellos de luz generados simultáneamente. Derecha:El detector MicroBooNE se baja a la caverna principal de la instalación de prueba de argón líquido en Fermilab Crédito:Fermilab
Los científicos de Brookhaven Lab desempeñaron un papel importante en el diseño del detector MicroBooNE, particularmente la electrónica sensible que opera dentro de la cámara de proyección de tiempo llena de argón líquido súper frío del detector. Cuando los neutrinos del acelerador de Fermilab entran en la cámara, de vez en cuando un neutrino interactuará con un átomo de argón, expulsando algunas partículas de su núcleo, un protón o un neutrón, y generando otras partículas (muones, piones) y un destello de luz. Las partículas cargadas que son expulsadas ionizan átomos de argón en el detector, sacando algunos de sus electrones fuera de órbita. Los electrones que se forman a lo largo de estas pistas de ionización son captados por la electrónica sensible del detector.
"Todo el rastro de electrones se desplaza a lo largo de un campo eléctrico y pasa a través de tres planos consecutivos de cables con diferentes orientaciones en un extremo del detector, ", Dijo Zhang." A medida que los electrones se acercan a los cables, Inducen una señal, de modo que cada conjunto de cables crea una imagen 2D de la pista desde un ángulo diferente ".
Mientras tanto, los destellos de luz creados en el momento de la interacción de neutrinos son captados por tubos fotomultiplicadores que se encuentran más allá de las matrices de cables. Esas señales de luz les dicen a los científicos cuándo tuvo lugar la interacción de neutrinos, y cuánto tardaron las vías en llegar a los aviones de alambre.
Las computadoras traducen ese tiempo en distancia y unen las imágenes de seguimiento en 2D para reconstruir una imagen en 3D de la interacción de neutrinos en el detector. La forma de la pista les dice a los científicos qué sabor de neutrino desencadenó la interacción.
"Esta reconstrucción de imágenes 3D" Wire-Cell "es similar a las imágenes médicas con un escáner de tomografía computarizada (TC), ", Explicó Zhang. En un escáner CT, los sensores capturan instantáneas de las estructuras internas del cuerpo desde diferentes ángulos y las computadoras unen las imágenes. "Imagine las huellas de partículas que atraviesan los planos de tres cables como una persona que entra en el escáner, " él dijo.
Desenredando la red cósmica
Suena casi simple, si se olvida de los miles de rayos cósmicos que fluyen a través del detector al mismo tiempo. Sus rastros de ionización también se mueven a través de los cables de escaneo, creando imágenes que parecen una red enredada. Es por eso que los científicos de MicroBooNE han estado trabajando en sofisticados "disparadores" y algoritmos para examinar los datos y extraer las señales de neutrinos.
Cómo funciona el detector MicroBooNE:La interacción de neutrinos crea partículas cargadas y genera un destello de luz. Las partículas cargadas ionizan los átomos de argón y crean electrones libres. Los electrones se desplazan hacia los planos de tres cables bajo un campo eléctrico externo e inducen señales en los cables. Los cables registran efectivamente tres imágenes de las actividades de las partículas desde diferentes ángulos. Los destellos de luz (fotones) son detectados por tubos fotomultiplicadores detrás de los planos de alambre, que dice cuándo ocurre la interacción. Los científicos utilizan las imágenes de los tres planos de cables y la sincronización de la interacción para reconstruir las pistas creadas por la interacción de neutrinos y dónde ocurrió en el detector. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Para 2017, habían logrado un progreso sustancial en la reducción del ruido de los rayos cósmicos. Pero aún así, Los rayos cósmicos superaron en número a las pistas de neutrinos en aproximadamente 200 a 1. Los nuevos artículos describen técnicas adicionales para reducir esta proporción, y darle la vuelta al punto donde las señales de neutrinos en MicroBooNE ahora se destacan 5 a 1 contra el fondo de rayos cósmicos.
El primer paso consiste en hacer coincidir las señales reveladas por las partículas generadas en las interacciones de neutrinos con los destellos de luz exactos recogidos por los tubos fotomultiplicadores de esa interacción.
"¡Esto no es facil!" dijo Xin Qian, físico del Brookhaven Lab. "Debido a que la cámara de proyección del tiempo y los tubos fotomultiplicadores son dos sistemas diferentes, no sabemos qué destello corresponde a qué evento en el detector. Tenemos que comparar los patrones de luz de cada tubo fotomultiplicador con todas las ubicaciones de estas partículas. Si ha realizado todas las coincidencias correctamente, encontrará un único objeto 3D que corresponde a un solo destello de luz medido por los tubos fotomultiplicadores ".
Brooke Russell, quien trabajó en el análisis como estudiante graduado de Yale y ahora es becario postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, se hizo eco de estos comentarios sobre el desafío de la combinación de luces. "Dado que la información de carga en algunos casos no es completamente complementaria a la información de luz, Puede haber ambigüedades en los emparejamientos carga-luz en una sola lectura. Los algoritmos desarrollados por el equipo ayudan a dar cuenta de estos matices, " ella dijo.
Todavía, los científicos deben comparar el tiempo de cada pista con el tiempo en que se emitieron los neutrinos del acelerador (un factor que conocen porque controlan el rayo del acelerador). "Si el tiempo es coherente, entonces es una posible interacción de neutrinos, "Dijo Qian.
El algoritmo desarrollado por el equipo de Brookhaven reduce la proporción a un neutrino por cada seis eventos de rayos cósmicos.
Rechazar rayos cósmicos adicionales se vuelve un poco más fácil con un algoritmo que elimina las pistas que atraviesan completamente el detector.
Un ejemplo de evento electrón-neutrino antes y después de aplicar el algoritmo de emparejamiento "carga-luz". Una interacción de neutrinos se mezcla típicamente con unos 20 rayos cósmicos durante el registro de eventos de 4,8 milisegundos. Después de hacer coincidir la señal de "carga" de la interacción de neutrinos, registrado por los cables, con su señal de "luz", registrado por los tubos fotomultiplicadores, se puede distinguir claramente del fondo de los rayos cósmicos. En la pantalla de eventos, los puntos negros son de la interacción electrón-neutrino y los puntos coloreados son los rayos cósmicos de fondo. El tamaño de cada círculo rojo muestra la fuerza de la señal de luz correspondiente para cada tubo fotomultiplicador. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
"La mayoría de los rayos cósmicos atraviesan el detector de arriba a abajo o de un lado a otro, "dijo Xiangpan Ji, un postdoctorado de Brookhaven Lab que trabaja en este algoritmo. "Si puede identificar el punto de entrada y salida de la pista, sabes que es un rayo cósmico. Las partículas formadas por interacciones de neutrinos deben comenzar en el medio del detector donde tiene lugar esa interacción ".
Eso lleva la relación de interacciones de neutrinos a rayos cósmicos a 1:1.
Un algoritmo adicional filtra los eventos que comienzan fuera del detector y se detienen en algún lugar en el medio, que se parecen a los eventos de neutrinos pero se mueven en la dirección opuesta. Y un último paso de ajuste elimina los eventos en los que los destellos de luz no coinciden bien con los eventos, para llevar la detección de eventos de neutrinos al notable nivel de 5 a 1 en comparación con los rayos cósmicos.
"Este es uno de los análisis más desafiantes en los que he trabajado, "dijo Hanyu Wei, el becario postdoctoral de Brookhaven Lab que lidera el esfuerzo de análisis. "La cámara de proyección de tiempo de argón líquido es una nueva tecnología de detección con muchas características sorprendentes. Tuvimos que inventar muchos métodos originales. Fue realmente un esfuerzo de equipo".
Zhang se hizo eco de ese sentimiento y dijo:"Esperamos que este trabajo aumente significativamente el potencial del experimento MicroBooNE para explorar la intrigante física en líneas de base breves. De hecho, Esperamos implementar estas técnicas en experimentos en los tres detectores de neutrinos de línea base corta para ver qué aprendemos sobre las oscilaciones de neutrinos y la posible existencia de un cuarto tipo de neutrino ".
