È il 2019. Vogliamo che i nostri cellulari siano veloci, i nostri computer sono più veloci e gli schermi sono così nitidi da competere con una mattinata in montagna. Siamo una società digitale, e le foto sfocate delle macchine fotografiche di patate non lo taglieranno per le masse. fisici, si scopre, non sono diversi e vogliono lo stesso scatto acuto dai loro rivelatori di neutrini.

Cue ArgonCube:un prototipo di rivelatore in fase di sviluppo che sta portando una tecnologia ancora in crescita a nuovi livelli con un piano per catturare tracce di particelle degne di quella TV 4K. Il segreto nel suo cuore? È tutta una questione di pixel.

Ma facciamo due passi indietro. L'argon è un elemento che costituisce circa l'1% di quell'aria dolce che stai respirando. Negli ultimi decenni, la forma liquida dell'argon è diventata il mezzo d'elezione per i rivelatori di neutrini. I neutrini sono quelle fastidiose particelle fondamentali che raramente interagiscono con qualcosa, ma potrebbero essere la chiave per capire perché c'è così tanta materia nell'universo.

Grandi rivelatori pieni di freddo, l'argon denso fornisce molti nuclei atomici con cui i neutrini possono urtare e interagire, specialmente quando gli operatori dell'acceleratore inviano fasci contenenti trilioni di piccole cose. Quando i neutrini interagiscono, creano sciami di altre particelle e luci che l'elettronica del rivelatore cattura e trasforma in immagini.

Ogni immagine è un'istantanea che cattura l'interazione di uno dei personaggi più misteriosi, volubile, particelle sfuggenti là fuori; una particella che ha causato Wolfgang Pauli, proponendolo nel 1930, lamentarsi che pensava che gli sperimentatori non sarebbero mai stati in grado di rilevarlo.

Rivelatori di neutrini ad argon liquido all'avanguardia, grandi attori come MicroBooNE, ICARUS e ProtoDUNE:usano i fili per catturare gli elettroni liberati dalle interazioni dei neutrini. Vasti piani di migliaia di fili incrociano i rilevatori, ogni insieme raccoglie coordinate che vengono combinate da algoritmi in ricostruzioni 3D dell'interazione di un neutrino.

Queste configurazioni sono efficaci, ben compreso e un'ottima scelta per grandi progetti, e non si ottiene molto più grande dell'esperimento internazionale Deep Underground Neutrino ospitato da Fermilab.

DUNE esaminerà come cambiano i tre tipi noti di neutrini mentre percorrono lunghe distanze, esplorando ulteriormente un fenomeno chiamato oscillazioni del neutrino. Gli scienziati invieranno trilioni di neutrini dal Fermilab ogni secondo su un 1, Viaggio di 300 chilometri attraverso la terra, senza bisogno di tunnel, fino al South Dakota. DUNE utilizzerà camere a filo in alcuni dei quattro enormi moduli rivelatori lontani, ognuno con più di 17, 000 tonnellate di argon liquido.

Ma gli scienziati devono anche misurare il fascio di neutrini mentre lascia il Fermilab, dove il rivelatore DUNE vicino sarà vicino alla sorgente del neutrino e vedrà più interazioni.

"Ci aspettiamo che il raggio sia così intenso da avere una dozzina di interazioni di neutrini per impulso del raggio, e questi si sovrapporranno tutti all'interno del tuo rilevatore, " ha detto Dan Dwyer, uno scienziato del Lawrence Berkeley National Laboratory che lavora su ArgonCube. Cercare di districare un numero enorme di eventi utilizzando l'imaging del filo 2-D è una sfida. "Il rivelatore vicino rappresenterà una nuova gamma di complessità".

E nuova complessità, in questo caso, significa sviluppare un nuovo tipo di rivelatore di argon liquido.

Pixel me questo

La gente aveva pensato di creare un rilevatore di pixel prima, ma non è mai decollato.

"Questo era un sogno, " disse Antonio Ereditato, padre della collaborazione ArgonCube e scienziato presso l'Università di Berna in Svizzera. "Abbiamo sviluppato questa idea originale a Berna, ed era chiaro che poteva volare solo con l'elettronica adeguata. Senza esso, questo sarebbe stato solo un pio desiderio. I nostri colleghi di Berkeley avevano proprio quello che serviva".

I pixel sono piccoli, ei rivelatori di neutrini no. Puoi contenere circa 100, 000 pixel per metro quadrato. Ognuno è un canale unico che, una volta dotato di elettronica, può fornire informazioni su ciò che sta accadendo nel rilevatore. Per essere abbastanza sensibile, la minuscola elettronica deve stare proprio accanto ai pixel all'interno dell'argon liquido. Ma questo rappresenta una sfida.

"Se usassero anche la potenza della tua elettronica standard, il tuo rivelatore bollirebbe, " disse Dwyer. E un rilevatore di argon liquido funziona solo quando l'argon rimane... liquido.

Quindi Dwyer e l'ingegnere ASIC Carl Grace del Berkeley Lab hanno proposto un nuovo approccio:e se lasciassero ogni pixel inattivo?

"Quando il segnale arriva al pixel, si sveglia e dice, "Hey, c'è un segnale qui, "" ha spiegato Dwyer. "Poi registra il segnale, lo manda fuori e torna a dormire. Siamo stati in grado di ridurre drasticamente la quantità di energia".

A meno di 100 microwatt per pixel, questa soluzione sembrava un progetto promettente che non avrebbe trasformato il rilevatore in una torre di gas. Hanno messo insieme un circuito prototipo personalizzato e hanno iniziato a testare. Il nuovo design dell'elettronica ha funzionato.

Il primo test è stato di soli 128 pixel, ma le cose si sono ridimensionate rapidamente. Il team ha iniziato a lavorare alla sfida dei pixel nel dicembre 2016. A gennaio 2018 avevano viaggiato con i loro chip in Svizzera, li ha installati nel rivelatore di prova ad argon liquido costruito dagli scienziati di Berna e ha raccolto le loro prime immagini 3D dei raggi cosmici.

"È stato shock e gioia, "Dwyer ha detto.

Per la prossima installazione al Fermilab, i collaboratori avranno bisogno di ancora più elettronica. Il prossimo passo è lavorare con i produttori dell'industria per fabbricare commercialmente i chip e le schede di lettura che sosterranno circa mezzo milione di pixel. E Dwyer ha ricevuto un Department of Energy Early Career Award per continuare la sua ricerca sull'elettronica dei pixel, complementare alla sovvenzione del FNS svizzero per il gruppo di Berna.

"Stiamo cercando di farlo con un programma molto aggressivo:è un'altra folle corsa, "Dwyer ha detto. "Abbiamo messo insieme un team davvero eccezionale su ArgonCube e abbiamo fatto un ottimo lavoro nel dimostrare che possiamo far funzionare questa tecnologia per il rivelatore vicino DUNE. E questo è importante per la fisica, alla fine del giorno."

Altre innovazioni in vista

Mentre l'elettronica centrata sui pixel di ArgonCube si distingue, non sono le uniche innovazioni tecnologiche che gli scienziati stanno pianificando di implementare per il prossimo rivelatore di DUNE. C'è ricerca e sviluppo su un nuovo tipo di sistema di rilevamento della luce e una nuova tecnologia per modellare il campo elettrico che attira il segnale all'elettronica. E, Certo, ci sono i moduli

La maggior parte dei rilevatori di argon liquido utilizza un grande contenitore riempito con l'argon e non troppo altro. I segnali si spostano per lunghe distanze attraverso il fluido fino ai lunghi fili infilati su un lato del rivelatore. Ma ArgonCube sta cercando qualcosa di molto più modulare, rompendo il rivelatore in unità più piccole ancora contenute nel criostato circostante. Questo ha alcuni vantaggi:il segnale non deve viaggiare così lontano, l'argon non deve essere puro perché il segnale raggiunga la sua destinazione, e gli scienziati potrebbero potenzialmente recuperare e riparare singoli moduli, se necessario.

"È un po' più complicato del solito, rivelatore a filo, " ha detto Min Jeong Kim, che guida il team del Fermilab che lavora sulla criogenia e sarà coinvolto nell'integrazione meccanica del banco di prova del prototipo ArgonCube. "Dobbiamo capire come questi moduli si interfacceranno con il sistema criogenico".

Ciò significa capire tutto, dal riempire il rilevatore di argon liquido e mantenere la giusta pressione durante il funzionamento al filtrare correttamente le impurità dall'argon e far circolare il fluido intorno (e attraverso) i moduli per mantenere una distribuzione uniforme della temperatura.

Il prototipo ArgonCube in fase di assemblaggio presso l'Università di Berna funzionerà fino alla fine dell'anno prima di essere spedito al Fermilab e installato a 100 metri di profondità, rendendolo il primo grande prototipo di DUNE inviato al Fermilab e testato con i neutrini. Dopo aver risolto i suoi nodi, i ricercatori possono finalizzare il progetto e costruire il rivelatore ArgonCube completo.

Strumentazione e componenti aggiuntivi come una camera a gas-argon e uno spettrometro a raggio completeranno il rivelatore vicino.

È un momento entusiasmante per i 100 fisici di 23 istituzioni che lavorano su ArgonCube e per gli oltre 1, 000 fisici di neutrini da oltre 30 paesi che lavorano su DUNE. Quello che era iniziato come un pio desiderio è diventato una realtà e nessuno sa fino a che punto potrebbe spingersi la tecnologia dei pixel.

Ereditato sogna persino di sostituire il design di uno dei quattro massicci moduli del rivelatore di distanza DUNE con una versione pixelata. Ma una cosa alla volta, lui dice.

"In questo momento ci stiamo concentrando sulla costruzione del miglior rivelatore vicino possibile per DUNE, "Ereditato ha detto. "È stato un lungo percorso, con molte persone coinvolte, ma la tecnologia dell'argon liquido è ancora giovane. La tecnologia ArgonCube è la prova che la tecnica ha il potenziale per funzionare ancora meglio in futuro."