La camera di proiezione temporale di MicroBooNE, dove avvengono le interazioni dei neutrini, durante l'assemblaggio al Fermilab. La camera misura dieci metri di lunghezza e due metri e mezzo di altezza. Credito:Fermilab
Come si individua un neutrino subatomico in un "pagliaio" di particelle che fluiscono dallo spazio? Questa è la scoraggiante prospettiva che devono affrontare i fisici che studiano i neutrini con rivelatori vicino alla superficie terrestre. Con poca o nessuna schermatura in tali luoghi non sotterranei, rivelatori di neutrini a superficie, solitamente alla ricerca di neutrini prodotti da acceleratori di particelle, sono bombardati da raggi cosmici, piogge incessanti di particelle subatomiche e nucleari prodotte nell'atmosfera terrestre da interazioni con particelle provenienti da luoghi cosmici più distanti. Questi abbondanti viaggiatori, principalmente muoni, creare una rete di tracce di particelle incrociate che possono facilmente oscurare un raro evento di neutrini.
Fortunatamente, i fisici hanno sviluppato strumenti per attenuare il "rumore" cosmico.
Un team che include fisici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti descrive l'approccio in due documenti recentemente accettati per essere pubblicati in Revisione fisica applicata e il Journal of Instrumentation (JINST) . Questi documenti dimostrano la capacità degli scienziati di estrarre segnali di neutrini chiari dal rivelatore MicroBooNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE. Il metodo combina la ricostruzione dell'immagine simile a uno scanner CT con tecniche di settaggio dei dati che fanno risaltare i segnali di neutrini prodotti dall'acceleratore 5 a 1 sullo sfondo dei raggi cosmici.
"Abbiamo sviluppato una serie di algoritmi che riducono lo sfondo dei raggi cosmici di un fattore 100, 000, " disse Chao Zhang, uno dei fisici del Brookhaven Lab che ha contribuito a sviluppare le tecniche di filtraggio dei dati. Senza il filtraggio, MicroBooNE ne vedrebbe 20, 000 raggi cosmici per ogni interazione di neutrini, Egli ha detto. "Questo documento dimostra la capacità cruciale di eliminare gli sfondi dei raggi cosmici".
Bonnie Fleming, un professore della Yale University che è co-portavoce di MicroBooNE, disse, "Questo lavoro è fondamentale sia per MicroBooNE che per il futuro programma di ricerca sui neutrini degli Stati Uniti. Il suo impatto si estenderà notevolmente oltre l'uso di questa tecnica di analisi "Wire-Cell", anche su MicroBooNE, dove altri paradigmi di ricostruzione hanno adottato questi metodi di ordinamento dei dati per ridurre drasticamente gli sfondi dei raggi cosmici".
Monitoraggio dei neutrini
MicroBooNE è uno dei tre rivelatori che formano il programma internazionale Short-Baseline Neutrino al Fermilab, ciascuno situato a una distanza diversa da un acceleratore di particelle che genera un fascio di neutrini attentamente controllato. I tre rivelatori sono progettati per contare diversi tipi di neutrini a distanze crescenti per cercare discrepanze rispetto a quanto previsto in base al mix di neutrini nel raggio e a ciò che è noto sull'"oscillazione" dei neutrini. L'oscillazione è un processo mediante il quale i neutrini scambiano identità tra tre tipi noti, o "sapori". Individuare discrepanze nella conta dei neutrini potrebbe indicare un nuovo meccanismo di oscillazione sconosciuto e forse una quarta varietà di neutrini.
A sinistra:la camera di proiezione temporale (TPC) di MicroBooNE in fase di caricamento nella nave portacontainer. I tubi fotomoltiplicatori montati sul retro della camera (a destra) aiutano a identificare le tracce di particelle generate dai neutrini nel TPC rilevando lampi di luce generati simultaneamente. A destra:il rivelatore MicroBooNE viene calato nella caverna principale della Liquid Argon Test Facility al Fermilab Credito:Fermilab
Gli scienziati del Brookhaven Lab hanno svolto un ruolo importante nella progettazione del rilevatore MicroBooNE, in particolare l'elettronica sensibile che opera all'interno della camera di proiezione del tempo riempita di argon liquido super-freddo del rivelatore. Quando i neutrini dell'acceleratore del Fermilab entrano nella camera, ogni tanto un neutrino interagirà con un atomo di argon, cacciando alcune particelle dal suo nucleo - un protone o un neutrone - e generando altre particelle (muoni, pioni) e un lampo di luce. Le particelle cariche che vengono espulse ionizzano gli atomi di argon nel rivelatore, facendo uscire dall'orbita alcuni dei loro elettroni. Gli elettroni che si formano lungo queste tracce di ionizzazione vengono captati dall'elettronica sensibile del rivelatore.
"L'intera scia di elettroni va alla deriva lungo un campo elettrico e passa attraverso tre piani consecutivi di fili con orientamenti diversi a un'estremità del rivelatore, " disse Zhang. "Mentre gli elettroni si avvicinano ai fili, inducono un segnale, in modo che ogni set di cavi crei un'immagine 2D della pista da un'angolazione diversa".
Nel frattempo, i lampi di luce creati al momento dell'interazione del neutrino vengono captati dai tubi fotomoltiplicatori che si trovano al di là degli array di fili. Quei segnali luminosi dicono agli scienziati quando è avvenuta l'interazione del neutrino, e quanto tempo hanno impiegato i binari per arrivare agli aeroplani.
I computer traducono quel tempo in distanza e mettono insieme le immagini della traccia 2D per ricostruire un'immagine 3D dell'interazione del neutrino nel rivelatore. La forma della traccia dice agli scienziati quale sapore di neutrino ha innescato l'interazione.
"Questa ricostruzione dell'immagine 3D "Wire-Cell" è simile all'imaging medico con uno scanner per tomografia computerizzata (CT), " ha spiegato Zhang. In uno scanner CT, i sensori catturano istantanee delle strutture interne del corpo da diverse angolazioni e i computer mettono insieme le immagini. "Immagina le tracce delle particelle che attraversano i tre piani di filo come una persona che entra nello scanner, " Egli ha detto.
Districare la rete cosmica
Sembra quasi semplice, se ti dimentichi delle migliaia di raggi cosmici che attraversano contemporaneamente il rivelatore. Le loro scie di ionizzazione si spostano anche attraverso i fili di scansione, creando immagini che sembrano una rete aggrovigliata. Ecco perché gli scienziati di MicroBooNE hanno lavorato su sofisticati "trigger" e algoritmi per setacciare i dati in modo da poter estrarre i segnali dei neutrini.
Come funziona il rivelatore MicroBooNE:L'interazione del neutrino crea particelle cariche e genera un lampo di luce. Le particelle cariche ionizzano gli atomi di argon e creano elettroni liberi. Gli elettroni si spostano verso i tre piani dei fili sotto un campo elettrico esterno e inducono segnali sui fili. I fili registrano efficacemente tre immagini delle attività delle particelle da diverse angolazioni. I lampi di luce (fotoni) vengono rilevati da tubi fotomoltiplicatori dietro i piani di filo, che dice quando avviene l'interazione. Gli scienziati utilizzano le immagini dei tre piani di fili e la tempistica dell'interazione per ricostruire le tracce create dall'interazione del neutrino e dove si è verificata nel rivelatore. Credito:Brookhaven National Laboratory
Entro il 2017, avevano fatto progressi sostanziali riducendo il rumore dei raggi cosmici. Ma anche allora, i raggi cosmici sono più numerosi delle tracce di neutrini di circa 200 a 1. I nuovi articoli descrivono ulteriori tecniche per ridurre questo rapporto, e capovolgerlo fino al punto in cui i segnali di neutrini in MicroBooNE ora risaltano 5 a 1 sullo sfondo dei raggi cosmici.
Il primo passo prevede la corrispondenza dei segnali rivelati dalle particelle generate nelle interazioni dei neutrini con gli esatti lampi di luce raccolti dai tubi fotomoltiplicatori da tale interazione.
"Non è facile!" ha detto il fisico del Brookhaven Lab Xin Qian. "Poiché la camera di proiezione temporale e i tubi fotomoltiplicatori sono due sistemi diversi, non sappiamo quale flash corrisponde a quale evento nel rilevatore. Dobbiamo confrontare i modelli di luce per ogni tubo fotomoltiplicatore con tutte le posizioni di queste particelle. Se hai eseguito correttamente tutti gli abbinamenti, troverai un singolo oggetto 3D che corrisponde a un singolo lampo di luce misurato dai tubi fotomoltiplicatori."
Brooke Russel, che ha lavorato all'analisi come studente laureato a Yale ed è ora borsista post-dottorato presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE, ha fatto eco a questi commenti sulla sfida dell'abbinamento della luce. "Dato che le informazioni sulla carica in alcuni casi non sono completamente complementari alle informazioni sulla luce, ci possono essere ambiguità negli accoppiamenti di carica-luce su una singola lettura. Gli algoritmi sviluppati dal team aiutano a spiegare queste sfumature, " lei disse.
Ancora, gli scienziati devono quindi confrontare i tempi di ogni traccia con il tempo in cui i neutrini dell'acceleratore sono stati emessi (un fattore che conoscono perché controllano il raggio dell'acceleratore). "Se i tempi sono coerenti, allora è una possibile interazione di neutrini, " ha detto Qian.
L'algoritmo sviluppato dal team di Brookhaven riduce il rapporto a un neutrino ogni sei eventi di raggi cosmici.
Rifiutare ulteriori raggi cosmici diventa un po' più semplice con un algoritmo che elimina le tracce che attraversano completamente il rivelatore.
Un esempio di evento elettrone-neutrino prima e dopo l'applicazione dell'algoritmo di corrispondenza "carica-luce". Un'interazione di neutrini è tipicamente mescolata con circa 20 raggi cosmici durante la registrazione dell'evento di 4,8 millisecondi. Dopo aver abbinato il segnale di "carica" dell'interazione del neutrino, registrato dai fili, con il suo segnale "luce", registrato dai tubi fotomoltiplicatori, può essere chiaramente individuato dallo sfondo dei raggi cosmici. Nella visualizzazione dell'evento, i punti neri provengono dall'interazione elettrone-neutrino ei punti colorati sono i raggi cosmici di fondo. La dimensione di ciascun cerchio rosso mostra la forza del segnale luminoso abbinato per ciascun tubo fotomoltiplicatore. Credito:Brookhaven National Laboratory
"La maggior parte dei raggi cosmici passa attraverso il rivelatore dall'alto verso il basso o da un lato all'altro, " disse Xiangpan Ji, un postdoc di Brookhaven Lab che lavora su questo algoritmo. "Se riesci a identificare il punto di entrata e di uscita della pista, sai che è un raggio cosmico. Le particelle formate dalle interazioni dei neutrini devono iniziare nel mezzo del rivelatore dove avviene tale interazione".
Ciò porta il rapporto tra le interazioni dei neutrini e i raggi cosmici a 1:1.
Un algoritmo aggiuntivo esclude gli eventi che iniziano al di fuori del rivelatore e si fermano da qualche parte nel mezzo, che sembrano simili agli eventi di neutrini ma si muovono nella direzione opposta. E un ultimo passaggio di messa a punto esclude gli eventi in cui i lampi di luce non si abbinano bene con gli eventi, portare la rivelazione di eventi di neutrini al ragguardevole livello di 5 a 1 rispetto ai raggi cosmici.
"Questa è una delle analisi più impegnative su cui ho lavorato, " disse Hanyu Wei, il borsista postdottorato del Brookhaven Lab che ha guidato lo sforzo di analisi. "La camera di proiezione temporale dell'argon liquido è una nuova tecnologia di rilevamento con molte caratteristiche sorprendenti. Abbiamo dovuto inventare molti metodi originali. È stato davvero un lavoro di squadra".
Zhang ha fatto eco a quel sentimento e ha detto, "Ci aspettiamo che questo lavoro aumenti in modo significativo il potenziale per l'esperimento MicroBooNE di esplorare la fisica intrigante a brevi linee di base. Infatti, non vediamo l'ora di implementare queste tecniche negli esperimenti su tutti e tre i rivelatori di neutrini a base breve per vedere cosa impariamo sulle oscillazioni dei neutrini e sulla possibile esistenza di un quarto tipo di neutrini".
