Un esperimento per catturare immagini 3D senza precedenti delle traiettorie di particelle cariche è stato dimostrato utilizzando i raggi cosmici mentre colpiscono e viaggiano attraverso un criostato riempito con una tonnellata di argon liquido. I risultati confermano le capacità di una nuova tecnologia di rilevamento per la fisica delle particelle sviluppata dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in collaborazione con diversi partner universitari e industriali.

Innovativo in scala per questa nuova tecnologia, l'esperimento all'Università di Berna, La Svizzera, gestita a distanza a causa della pandemia di COVID-19, dimostra di essere pronta per un progetto molto più ampio e ambizioso:il Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), ha affermato Dan Dwyer, scienziato e team leader del Berkeley Lab.

In pochissimi anni, il team di Berkeley Lab ha trasformato in realtà un concetto ambizioso chiamato LArPix (pixel ad argon liquido), ha detto Dwyer. "Abbiamo superato le sfide nel rumore, consumo di energia, compatibilità criogenica, e più recentemente scalabilità/affidabilità trasferendo molti aspetti di questa tecnologia alla fabbricazione industriale."

DUNE è una nuova importante struttura scientifica in costruzione dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) per studiare le proprietà dei neutrini subatomici che verranno lanciati nel sottosuolo da un acceleratore presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE vicino a Chicago, Dwyer ha spiegato. I neutrini sono particelle estremamente leggere che interagiscono debolmente con la materia, qualcosa che i ricercatori vorrebbero capire meglio nel loro tentativo di rispondere a domande fondamentali sull'universo.

I neutrini prodotti dall'acceleratore del Fermilab passeranno attraverso un rivelatore vicino, strumentato con LArPix, sul sito del Fermilab prima di passare a completare il loro viaggio di 700 miglia in una profonda miniera sotterranea nel South Dakota.

LArPix è un passo avanti nel modo di rilevare e registrare i segnali nelle camere di proiezione del tempo di argon liquido (LArTPC), una tecnologia di scelta per futuri esperimenti sui neutrini e sulla materia oscura, Dwyer ha spiegato.

In un LArTPC, particelle subatomiche energetiche entrano nella camera e liberano o ionizzano elettroni nell'argon liquido. Un forte, il campo elettrico applicato esternamente sposta gli elettroni verso un lato dell'anodo della camera del rivelatore, dove tipicamente un piano di fili funge da antenne sensibili per leggere questi segnali e creare immagini stereoscopiche 2D dell'evento. Ma questa tecnologia non è sufficiente per far fronte all'intensità e alla complessità degli eventi di neutrini da leggere per il DUNE Near Detector, ha detto Dwyer.

"Così, è qui che entriamo in gioco noi di Berkeley Lab con questa vera lettura di pixel 3D fornita da LArPix, " Ha detto Dwyer. "Ci permetterà di visualizzare i neutrini DUNE con alta fedeltà in un ambiente molto trafficato".

Usando LArPix, Lui ha spiegato, i piani di fili sono sostituiti con array di pixel metallici fabbricati su schede elettroniche standard, che può essere facilmente fabbricato. L'elettronica a basso consumo, Egli ha detto, sono compatibili con le esigenze dello stato criogenico del mezzo liquido argon.

Questo ultimo traguardo non sarebbe stato possibile senza la forte partnership con ArgonCube Collaboration, un team di scienziati si è concentrato sul progresso della tecnologia LArTPC, centrato presso l'Università di Berna. Per gli esperimenti di Berna, i ricercatori hanno utilizzato una camera del rivelatore con 80, 000 pixel immersi in una tonnellata di argon liquido a -330 gradi Fahrenheit. Il sistema, Egli ha detto, fornito alta fedeltà, vera rappresentazione 3D delle piogge di raggi cosmici mentre viaggiavano attraverso il rivelatore.

"Questa è una pietra miliare nello sviluppo dei LArTPC e del DUNE Near Detector, " ha detto Michele Weber, Direttore del Laboratorio di Fisica delle Alte Energie presso l'Università di Berna, che è anche leader del DUNE International Consortium responsabile della costruzione di questo rivelatore.

"È molto più complicato di qualsiasi cosa sia mai stata costruita per LArTPC, " ha detto Brooke Russell, un borsista post-dottorato al Berkeley Lab e membro del team LArPix. Con 80, 000 canali, lei disse, la corsa LArPix a Berna ha superato di gran lunga le precedenti 15 all'avanguardia, 000 canali LArTPC. "Il livello di complessità che va dai fili ai pixel è cresciuto in modo esponenziale, " lei disse.

Partner dell'Università di Berkeley, Caltech, Università statale del Colorado, Rutger, UC Davis, UC Irvine, UC Santa Barbara, UPenn, e l'Università del Texas ad Arlington ha aiutato i ricercatori a sviluppare e testare questo sistema molto più grande.

Per DUNE, Dwyer ha detto, il sistema deve scalare a più di 10 milioni di pixel che staranno in circa 300 tonnellate di argon liquido. Ha detto che questo è fattibile sia per la natura modulare delle camere del rilevatore sia per la capacità di affiancare schede LArPix composte da migliaia di rilevatori di pixel individuali.

"Questa tecnologia consentirà al DUNE Near Detector di superare l'accumulo di segnali derivanti dall'elevata intensità del fascio di neutrini nel sito, " disse Dwyer. "Potrebbe anche trovare impiego nei DUNE Far Detectors, altri esperimenti di fisica, così come le applicazioni non fisiche, " Egli ha detto.

Al DUNE Far Detectors, gli scienziati misureranno come cambia il sapore quantistico dei neutrini durante il transito dal rivelatore vicino.

Studiando i neutrini, "Pensiamo di poter imparare qualcosa sui misteri più profondi dell'universo, in particolare domande come perché c'è più materia che antimateria nell'universo, "Dwyer ha spiegato.

Perché DUNE abbia successo, i fisici delle particelle "avevano bisogno di un livello di pensiero fuori dagli schemi quando si trattava di tecnologia dei rivelatori, Russell ha detto. " ha aggiunto. "Ma se il tuo hardware non è in grado di fornire, semplicemente non puoi effettuare la misurazione."