Immagini bidimensionali di un'interazione di neutrini in MicroBooNE mostrate in diversi stadi di elaborazione del segnale (da sinistra a destra):i dati originali registrati dal rivelatore con un eccesso di rumore (linee orizzontali); gli stessi dati dopo la rimozione del rumore in eccesso; la distribuzione ricostruita degli elettroni di ionizzazione dopo una tecnica di elaborazione del segnale chiamata deconvoluzione è stata applicata in una dimensione; la distribuzione ricostruita degli elettroni di ionizzazione dopo l'ultima versione dell'elaborazione del segnale, che includeva la deconvoluzione 2D, come descritto nei due articoli appena pubblicati. Credito:Brookhaven National Laboratory
I neutrini sono sottili particelle subatomiche che gli scienziati ritengono svolgano un ruolo chiave nell'evoluzione del nostro universo. Fluiscono continuamente dalle reazioni nucleari nel nostro Sole e in altre stelle, ma attraversano quasi tutto, anche i nostri corpi e la Terra stessa, senza lasciare traccia. Gli scienziati che vogliono studiare questi peculiari, le particelle leggere devono costruire rivelatori estremamente sensibili.
Un nuovo tipo rivoluzionario di rivelatore di neutrini, progettato in parte da scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), si trova al centro dell'esperimento MicroBooNE presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE. In due nuovi documenti, la collaborazione MicroBooNE descrive come usano questo rivelatore per raccogliere i segni rivelatori dei neutrini. I documenti includono dettagli sugli algoritmi di elaborazione del segnale che sono fondamentali per ricostruire accuratamente le sottili interazioni dei neutrini con gli atomi nel rivelatore.
Secondo il fisico Xin Qian, leader del gruppo di fisica MicroBooNE di Brookhaven Lab, "Il lavoro riassunto in questi documenti, che includono confronti di dati sperimentali raccolti di recente con simulazioni di segnali e rumore del rivelatore, dimostra un'eccellente comprensione delle prestazioni del rilevatore a risoluzione millimetrica di MicroBooNE. Questa comprensione fornisce una solida base per l'utilizzo di questa tecnologia di rilevamento per misurazioni fisiche di precisione non solo in MicroBooNE ma anche in esperimenti futuri, come l'esperimento Deep Underground Neutrino."
Rilevatore dinamico
Il pezzo centrale del rivelatore MicroBooNE è una camera di proiezione temporale dell'argon liquido (LArTPC), un serbatoio delle dimensioni di un bus riempito di argon (liquido tenuto a una temperatura pungente di -303 gradi Fahrenheit) e rivestito con componenti elettronici progettati per funzionare in quell'ambiente estremamente freddo . Questo gruppo agisce come una potente fotocamera digitale 3D tomografica per catturare le traiettorie delle particelle generate quando i neutrini interagiscono con gli atomi di argon nel serbatoio.
I neutrini, che si presentano in tre "sapori" (elettrone, muone, e tau), provengono da un acceleratore di protoni al Fermilab. Per lo più navigano attraverso il rilevatore. Ma di tanto in tanto, un neutrino colpisce un nucleo di argon nel LArTPC. Tale interazione produce un certo numero di altre particelle, alcuni dei quali trasportano carica elettrica. Mentre queste particelle cariche sfrecciano attraverso il serbatoio, si ionizzano, o dare il via agli elettroni, altri atomi di argon nel loro percorso. Gli elettroni espulsi vengono catturati nel potente campo elettrico che circonda il serbatoio e si spostano verso una serie di fili disposti ordinatamente in tre piani diversamente orientati a un'estremità:l'anodo. L'elettronica all'interno del serbatoio raccoglie e amplifica i segnali generati dagli elettroni che colpiscono i fili e inviano quei segnali per essere registrati. Tracciando i tempi e le posizioni di questi segnali, il rivelatore può costruire immagini delle traiettorie degli elettroni per rivelare informazioni sull'energia e sul sapore del neutrino che ha innescato ogni catena di eventi.
"Spiegare il segnale di ionizzazione sul piano dell'anodo è analogo all'elaborazione di una pellicola fotografica in una stanza buia, tranne che al posto di agenti chimici e soluzioni, i fisici applicano algoritmi di elaborazione del segnale per ricostruire l'immagine dell'interazione dei neutrini, " ha detto Brooke Russell, uno studente laureato della Yale University attualmente di stanza al Brookhaven Lab.
Elaborazione del segnale
Ma proprio come è importante ottenere la giusta chimica durante la lavorazione della pellicola, Gli scienziati che seguono il neutrino devono affrontare sfide nello sviluppo dei loro algoritmi.
Gli ultimi miglioramenti nell'elaborazione del segnale MicroBooNE Time Projection Chamber (TPC) producono tracce di particelle 3D più completamente ricostruite (in basso) rispetto alle tecniche precedenti (in alto), che ha lasciato spazi vuoti nelle immagini 3D (vedere le aree cerchiate in rosso per il confronto). Il miglioramento è cruciale per distinguere i segnali di interazione dei neutrini (cerchiati in verde) dai segnali di fondo generati dai raggi cosmici che interagiscono con il fluido nel TPC. Credito:Brookhaven National Laboratory
Per una cosa, le correnti indotte dagli elettroni di ionizzazione alla deriva sono generalmente di piccola entità e possono essere ulteriormente ridotte se gli elettroni arrivano ai fili per un periodo di tempo prolungato. Inoltre, la "forma d'onda" della corrente prodotta da un insieme di elettroni alla deriva potrebbe essere annullata da quella di un altro insieme di elettroni che arrivano dopo, come le onde dell'oceano che si appiattiscono quando le creste alte di un'onda si allineano con i punti bassi di un'altra. Ciò rende particolarmente difficile discriminare i minuscoli segnali dal "rumore" di fondo:distorsioni elettroniche generate dall'eccesso di carica immagazzinata sui fili utilizzati per trasportare i segnali, le alimentazioni esterne che generano il campo elettrico del rivelatore, o altre fonti.
Mantenere parte dell'elettronica all'interno della camera ad argon liquido aiuta a ridurre al minimo il rumore riducendo la distanza che i segnali devono percorrere prima di essere letti. Come ha osservato Brian Kirby, associato di ricerca post-dottorato del Brookhaven Lab, queste "elettronica fredda" a basso rumore, " progettato dalla divisione strumentazione di Brookhaven, sono una tecnologia cruciale per i LArTPC di grandi dimensioni. "Semplificano la progettazione del rivelatore e forniscono le prestazioni di rumore elettronico necessarie per sfruttare appieno i segnali del piano di filo a induzione, " Egli ha detto.
Una seconda sfida è che gli elettroni alla deriva possono indurre corrente su una distesa di diversi fili vicini, introducendo la possibilità che la forma d'onda prodotta dagli elettroni che passano da un particolare filo possa annullare quella prodotta dagli elettroni che passano un filo vicino. Queste cancellazioni dipendono dalla distribuzione degli elettroni di ionizzazione, portando a segnali molto complessi.
Per affrontare questa sfida, la collaborazione MicroBooNE ha sviluppato un nuovo algoritmo per estrarre la distribuzione degli elettroni dalla corrente indotta misurata sui fili. Il fondamento dell'algoritmo è una tecnica matematica chiamata deconvoluzione, che ha notevolmente semplificato il "segnale" rimuovendo la risposta di induzione molto complessa della camera ad argon liquido, così gli scienziati possono estrarre la posizione e la distribuzione degli elettroni che arrivano ai piani del filo.
Questa deconvoluzione viene eseguita in due dimensioni (2-D). Secondo il ricercatore post-dottorato di Brookhaven Hanyu Wei, la prima "D" è un'analisi matematica comune della forma d'onda nel tempo, e la seconda "D" tiene conto dell'effetto a lungo raggio dei segnali di induzione su più fili. Identificando specifiche "regioni di interesse" nel segnale, gli scienziati possono anche mitigare l'ingrandimento del rumore a bassa frequenza dalla tecnica di deconvoluzione.
MicroBooNE è il primo rivelatore in grado di abbinare il numero di elettroni rilevati attraverso i tre piani di filo di un LArTPC.
"Poiché gli stessi gruppi di elettroni alla deriva vengono rilevati da ciascuno dei piani del filo, ti aspetteresti di misurare la stessa quantità di carica da ogni aereo, " ha detto Michael Mooney, un ex socio di ricerca post-dottorato del Brookhaven Lab che ora è un nuovo membro di facoltà presso la Colorado State University. Ma a causa della complessità dei segnali nei piani di filo di induzione, nessun precedente rilevatore LArTPC è stato in grado di farlo.
"La nostra dimostrazione basata sui dati che l'abbinamento di carica tra piani locali è fattibile in un LArTPC apre le porte a nuovi tipi di tecniche di ricostruzione che mirano innanzitutto a creare un'immagine 3D dell'interazione neutrino-argon e potrebbero migliorare notevolmente la nostra capacità determinare con precisione le proprietà del neutrino, " ha detto Mooney.
La camera di proiezione del tempo MicroBooNE delle dimensioni di uno scuolabus. Credito:Fermilab
Simulazioni vs. dati
Il team di MicroBooNE ha anche sviluppato simulazioni notevolmente migliorate dei segnali e del rumore TPC previsti, tenendo conto del summenzionato effetto di induzione a lungo raggio e dell'esatta posizione dell'elettrone alla deriva all'interno di una regione di filo, e ha utilizzato queste nuove simulazioni per valutare quantitativamente il loro algoritmo di elaborazione del segnale. Il confronto delle simulazioni con i risultati estratti da dati reali ha prodotto risultati coerenti, che è un passo cruciale verso l'utilizzo del rivelatore per gli studi di fisica.
"La coerenza tra la nuova simulazione e i dati ci dà la certezza di comprendere il nostro rivelatore a livello fondamentale, che è fondamentale per le prossime analisi fisiche in MicroBooNE, ", ha dichiarato Chao Zhang, fisico del Brookhaven Lab.
Il fisico del Brookhaven Lab, Brett Viren, ha osservato, "La capacità di fornire una simulazione più accurata sia del rumore che dei segnali dai cavi LArTPC ci consente di convalidare le tecniche di ricostruzione e valutare quantitativamente le loro efficienze. Questi miglioramenti faciliteranno anche l'uso di queste simulazioni e delle moderne tecniche di apprendimento automatico, che devono avere set di addestramento che imitare da vicino la realtà, per migliorare la precisione del rilevatore LArTPC."
Il team ha sviluppato un software sia per l'algoritmo di elaborazione del segnale che per le migliori simulazioni di segnale e rumore in un "Wire-Cell Toolkit". Questo pacchetto software può essere eseguito su architetture di elaborazione CPU (Central Processing Unit) convenzionali e può anche essere configurato per le architetture altamente parallele dei sistemi HPC (High Performance Computing).
"Tutti questi risultati nell'elaborazione del segnale, simulazione, e il confronto della simulazione dei dati ci avvicina alla realizzazione del pieno potenziale della tecnologia di rilevamento LArTPC, ", ha dichiarato Qian di Brookhaven. "Ora attendiamo con impazienza gli entusiasmanti risultati che verranno da MicroBooNE.
"Inoltre, i progressi di MicroBooNE gettano le basi per le tecniche di rilevamento e di elaborazione del segnale che verranno utilizzate con rilevatori LArTPC più grandi, compresi quelli sviluppati per DUNE, che dovrebbe essere online a metà degli anni '20".
Per DUNE, La Long-Baseline Neutrino Facility del Fermilab lancerà un raggio di neutrini attraverso la Terra dall'Illinois fino a una vecchia miniera d'oro nel profondo del Sud Dakota. Fino a quattro rilevatori nella caverna si baseranno sulla capacità di MicroBoone delle dimensioni di un bus di tracciare le particelle con alta precisione grazie a serbatoi colossali ciascuno con un volume 100 volte superiore in grado di individuare la posizione delle particelle entro un paio di millimetri.
"I rilevatori LArTPC sono l'unica tecnologia in grado di raggiungere questa precisione su larga scala. Questo è ciò che li rende davvero rivoluzionari, " ha detto Qian.
