Mucho antes de que el Experimento Subterráneo de Neutrinos realice sus primeras mediciones en un esfuerzo por ampliar nuestra comprensión del universo, un prototipo de uno de los detectores del experimento está abriendo nuevos caminos en la tecnología de detección de neutrinos.
DUNE, actualmente en construcción, será un experimento masivo que abarcará más de 800 millas. Un haz de neutrinos que se origina en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. pasará a través de un detector de partículas ubicado en el sitio del Fermilab y luego viajará a través del suelo hasta un enorme detector en el Centro de Investigación Subterránea de Sanford en Dakota del Sur.
El detector de proximidad consta de un conjunto de sistemas de detección de partículas. Uno de ellos, conocido como ND-LAr, contará con una cámara de proyección temporal de argón líquido para registrar huellas de partículas; Se colocará dentro de un recipiente lleno de argón líquido. Cuando un neutrino choca con una de las partículas que forman los átomos de argón, la colisión genera más partículas. A medida que cada partícula creada en la colisión sale del núcleo, interactúa con los átomos cercanos, despojándolos de algunos de sus electrones, lo que lleva a la producción de señales detectables en forma de luz y carga.
ND-LAr está optimizado para ver ambos tipos de señales. Los científicos de DUNE eligieron argón líquido para uno de los sistemas detectores cercanos para poder hacer comparaciones directas uno a uno al analizar los resultados tanto del ND-LAr como del detector lejano, que también depende del argón líquido para la detección de partículas.
El prototipo de ND-LAr recibió su nombre de prototipo 2×2 porque sus cuatro módulos están dispuestos en un cuadrado. La versión final de ND-LAr contará con 35 módulos, cada uno ligeramente más grande que los utilizados para el prototipo. Pronto, el prototipo 2×2 se instalará bajo tierra en el camino del haz de neutrinos NuMI del Fermilab para realizar pruebas.
"Vamos a poner esto en lo que actualmente es el haz de neutrinos más intenso del mundo", dijo Juan Pedro Ochoa-Ricoux, profesor de la Universidad de California en Irvine, que codirige el esfuerzo de análisis de datos para el 2×2. prototipo. "Vamos a poder probar nuestro prototipo en circunstancias realistas."
El prototipo 2×2, y eventualmente el propio ND-LAr, detectarán el haz de neutrinos cerca de su punto más intenso.
Cuando un haz de protones de un acelerador choca con un objetivo, crea una pulverización de otras partículas cargadas que rápidamente se descomponen en otras partículas, incluidos neutrinos. El haz de partículas cargadas utilizado para generar neutrinos está estrechamente enfocado, pero cuando se crea este haz de neutrinos, ya no pueden ser guiados ni enfocados, ya que no tienen carga. A medida que el haz viaja por el espacio, los neutrinos se dispersan y el haz se vuelve menos denso.
"Es un poco como una linterna:cuando apuntas con una linterna a una pared, si estás cerca de la pared, ves un pequeño círculo, pero si te alejas de la pared, el círculo se hace cada vez más grande. ", dijo Ochoa-Ricoux.
Debido a que el detector cercano estará cerca de la fuente del haz de neutrinos, captará más interacciones de neutrinos en un espacio más pequeño que el detector lejano. Esta poderosa afluencia de neutrinos presenta algunos desafíos para registrar eficientemente las interacciones de neutrinos en ND-LAr. Mientras que el detector lejano podría captar solo un neutrino a la vez, el detector cercano verá muchos más neutrinos interactuando.
"Todas estas interacciones ocurren prácticamente al mismo tiempo", dijo Ochoa-Ricoux. "Necesitamos poder desentrañar todas estas interacciones".
Afortunadamente, investigadores de la Universidad de Berna y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE han estado trabajando en nuevos diseños y tecnologías para un detector de argón líquido más adecuado para esta alta densidad de neutrinos.
El equipo de la Universidad de Berna desarrolló un diseño novedoso para detectores de neutrinos de argón líquido. En lugar de un solo gran volumen de argón líquido, este diseño divide el detector en módulos.
El nuevo diseño no sólo da como resultado una distancia más corta para que los electrones despojados se desplacen hacia la superficie de detección, sino que también proporciona una mejor comprensión de dónde tienen lugar las interacciones de los neutrinos. Al reducir el tamaño de los módulos se muestra la luz producida en la interacción de un neutrino en una unidad en particular, lo que reduce su ubicación.
Un diseño modular también significa que se producen menos interacciones en cada módulo. Como resultado, es más fácil combinar la detección de la luz y las partículas cargadas para comprender la interacción de los neutrinos. Este tipo de detector puede manejar de manera más efectiva muchas interacciones que ocurren en un corto período de tiempo.
Estas dos consecuencias de un detector dividido lo hacen ideal para ND-LAr, ya que este diseño permite una imagen tridimensional más precisa de dónde ocurrió la interacción de neutrinos, dijo Michele Weber, profesora de la Universidad de Berna que trabaja en el prototipo del detector. diseñar y liderar el esfuerzo ND-LAr.
"Es fantástico ver que un concepto desarrollado en nuestra universidad encuentre aplicación en DUNE a través de una colaboración con Fermilab", dijo Weber. "Uno de los desafíos que tuvimos que afrontar para saber qué señal pertenece a cada interacción es mejorar la vista 3D de cada interacción".
Mientras tanto, en Berkeley Lab, otro equipo ha creado un nuevo tipo de sistema de lectura de señales que puede abordar la enorme cantidad de datos que se esperan en el detector cercano.
Tradicionalmente, las cámaras de proyección de tiempo de argón líquido, o LArTPC, han utilizado una serie de cables en capas a lo largo del costado del detector para captar la señal de los electrones despojados que se liberan en una interacción entre un neutrino y el argón. La combinación de las señales recogidas por las capas de cables, que proporcionan una serie de proyecciones bidimensionales, proporciona suficiente información para reconstruir una imagen tridimensional de la interacción.
Sin embargo, cuando hay muchas interacciones neutrino-argón en el detector (un fenómeno llamado acumulación de neutrinos), este sistema de lectura no proporciona una imagen tan clara, dijo Brooke Russell, miembro de Chamberlain en el Laboratorio de Berkeley que trabaja en el 2× 2 prototipos.
En cambio, el sistema de lectura desarrollado en Berkeley Lab utiliza una lectura completamente pixelada, lo que significa que cada canal físico en el detector corresponde a un canal de lectura digital. El uso de esta matriz de píxeles muestra directamente la ubicación tridimensional de la interacción y puede resolver todas las interacciones de neutrinos que ocurren casi simultáneamente.
"Esto tiene implicaciones importantes para los tipos de señales que construimos y la intensidad de la actividad que podemos tolerar", dijo Russell. "Con el detector cercano DUNE, por primera vez, estamos en un régimen en el que tenemos acumulación de neutrinos. Una lectura de este tipo es absolutamente necesaria para reconstruir los eventos de neutrinos".
Los módulos del prototipo se construyeron y probaron en la Universidad de Berna, luego se enviaron al Fermilab y se probaron nuevamente antes de su instalación. Se están realizando los preparativos para la instalación del prototipo a finales de año con el fin de probar la detección de neutrinos cuando el haz NuMI se vuelva a encender este invierno.
El equipo de instalación del experimento colocará el prototipo de detector en un contenedor enfriado criogénicamente y lo intercalará entre dos piezas de detector reutilizadas del experimento de neutrinos MINERvA retirado en Fermilab. MINERvA midió las interacciones de neutrinos desde 2010 hasta 2019.
Como el prototipo de detector ND-LAr no es muy grande, no puede medir el recorrido completo de algunas de las partículas creadas cuando los neutrinos interactúan con el argón. Ejemplos notables son los muones, que normalmente viajan largas distancias antes de detenerse. Ahí es donde entran en juego los antiguos componentes del detector MINERvA. Utilizando esos componentes para rastrear los muones que salen del detector prototipo, los científicos pueden distinguir los muones de los piones cargados, otro tipo de partícula subatómica.
Colocar el prototipo entre los segmentos MINERvA también ayuda a identificar los muones que pasan pero que no se originaron en el detector, distinguiéndolos de los muones que vienen del interior del detector como producto de las interacciones de neutrinos.
"Podemos usar los aviones MINERvA para ayudarnos a rastrear los neutrinos que interactuaron en la roca aguas arriba del detector y produjeron muones que entraron en el detector", dijo Jen Raaf, directora de la División de Neutrinos del Fermilab, quien coordina el proyecto del prototipo 2×2. . "Podremos conectar las huellas para identificar aquellas [que no se originaron en el detector] y deshacernos de ellas, porque eso no es lo que nos interesa".
Los aviones MINERvA también permiten a los científicos rastrear partículas creadas en interacciones de neutrinos en el LArTPC, pero que salen del volumen de argón antes de detenerse. "MINERvA nos permitirá rastrear estas partículas salientes y medir su energía", dijo Raaf, "para que podamos obtener una estimación precisa de la energía del neutrino cuando interactuó en el LArTPC".
Cuando el prototipo 2×2 se pruebe en el haz de neutrinos, no sólo se garantizará que funcione correctamente, sino que los investigadores también podrán realizar experimentos de física de neutrinos, afirmó Ochoa-Ricoux.
Aunque el experimento DUNE en toda regla no comenzará a funcionar hasta dentro de varios años", afirmó, "ya vamos a producir algunos resultados físicos importantes con este prototipo".
Algunos de estos experimentos previos a DUNE en el prototipo 2×2 incluyen el estudio de las reacciones entre los neutrinos y el argón, y la medición de secciones transversales o la probabilidad de interacciones entre partículas.
Entre el diseño modular y la lectura de píxeles, ND-LAr será único entre los detectores de neutrinos de argón líquido. Esto significa que construir y probar un prototipo es crucial para garantizar que el diseño innovador funcione como se espera. A medida que se construye una nueva pieza de tecnología, los científicos deben probar cada paso de la construcción para demostrar sus capacidades, afirmó Weber.
"ND-LAr tiene un diseño atípico", dijo Russell. "Queremos validar que algunos de los principios de diseño que creemos que funcionarán, realmente funcionarán".
También es importante que se construya un prototipo lo suficientemente grande como para garantizar que la pieza final del equipo sea posible de construir e instalar, afirmó Raaf.
"Hacer algo en una escala más pequeña, pero lo suficientemente grande como para poder identificar dificultades en la construcción y el ensamblaje, es un paso realmente importante en todos los experimentos de física de partículas", dijo. "Quieres algo que sea lo suficientemente grande como para experimentar las diversas cosas que tienes que hacer, como usar una grúa para levantarlo y poder moverlo de ciertas maneras".
La colaboración DUNE está organizada en consorcios que se centran en diferentes aspectos del proyecto. El desarrollo del prototipo 2×2 forma parte del consorcio ND-LAr, del que la Universidad de Berna y el Laboratorio Berkeley son sólo dos entre docenas de instituciones.
"Todas esas personas están participando en este prototipo en algún nivel, para asegurarse de que lo que han imaginado para el proyecto de tamaño completo realmente funcione en una escala más pequeña y que no necesitemos modificar nada", dijo Raaf. "Tal vez lo hagamos, lo cual está bien; por eso hacemos prototipos. Nos reunimos semanalmente y discutimos:¿cómo va? ¿Qué debemos hacer a continuación? ¿Qué salió bien? ¿Qué podemos mejorar?"
Para una tarea tan grande, es necesaria la colaboración entre múltiples instituciones, dijo Weber, quien lidera el Consorcio ND-LAr. Entre el haz de neutrinos de Fermilab, el concepto de detector modular de la Universidad de Berna, la tecnología de lectura del Laboratorio Berkeley y el procesamiento y análisis de datos que se llevan a cabo en muchas instituciones, cada colaborador del Consorcio ND-LAr aporta sus capacidades únicas a este proyecto. P>
"Estos esfuerzos son demasiado grandes para una sola institución", afirmó Weber. "Hablas con varias personas y compartes la carga. Es un desafío trabajar con mucha gente, pero es la única manera, y es agradable ver cómo diferentes ideas se combinan con éxito".
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi
