Molto prima che il Deep Underground Neutrino Experiment effettui le prime misurazioni nel tentativo di espandere la nostra comprensione dell'universo, un prototipo di uno dei rilevatori dell'esperimento sta aprendo nuove strade nella tecnologia di rilevamento dei neutrini.
DUNE, attualmente in costruzione, sarà un enorme esperimento che si estenderà per oltre 800 miglia. Un fascio di neutrini proveniente dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti passerà attraverso un rilevatore di particelle situato nel sito del Fermilab, quindi viaggerà attraverso il terreno fino a un enorme rilevatore presso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakota.
Il rilevatore da vicino è costituito da un insieme di sistemi di rilevamento delle particelle. Uno di questi, noto come ND-LAr, sarà dotato di una camera di proiezione temporale ad argon liquido per registrare le tracce delle particelle; verrà posto all'interno di un contenitore pieno di argon liquido. Quando un neutrino si scontra con una delle particelle che compongono gli atomi di argon, la collisione genera più particelle. Mentre ogni particella creata nella collisione esce dal nucleo, interagisce con gli atomi vicini, strappando loro alcuni elettroni, portando alla produzione di segnali rilevabili sotto forma di luce e carica.
ND-LAr è ottimizzato per vedere entrambi questi tipi di segnali. Gli scienziati di DUNE hanno scelto l'argon liquido per uno dei sistemi di rilevamento vicino in modo da poter effettuare confronti diretti e uno a uno durante l'analisi dei risultati sia dell'ND-LAr che del rilevatore lontano, che si basa anch'esso sull'argon liquido per il rilevamento delle particelle.
Il prototipo di ND-LAr ha ricevuto il suo nome, prototipo 2×2, perché i suoi quattro moduli sono disposti in un quadrato. La versione finale di ND-LAr conterrà 35 moduli, ciascuno leggermente più grande di quelli utilizzati per il prototipo. Presto, il prototipo 2×2 sarà installato sottoterra nel percorso del fascio di neutrini NuMI del Fermilab per i test.
"Lo inseriremo in quello che attualmente è il fascio di neutrini più intenso del mondo", ha affermato Juan Pedro Ochoa-Ricoux, professore presso l'Università della California, Irvine, che sta co-guidando lo sforzo di analisi dei dati per il 2×2. prototipo. "Saremo in grado di testare il nostro prototipo in circostanze realistiche."
Il prototipo 2×2, ed eventualmente lo stesso ND-LAr, rileveranno il fascio di neutrini vicino al suo punto più intenso.
Quando un fascio di protoni proveniente da un acceleratore collide con un bersaglio, crea uno spruzzo di altre particelle cariche che decadono rapidamente in altre particelle, compresi i neutrini. Il fascio di particelle cariche utilizzato per generare i neutrini è strettamente focalizzato, ma quando viene creato questo fascio di neutrini, non possono più essere guidati o focalizzati, poiché non hanno carica. Mentre il raggio viaggia nello spazio, i neutrini si diffondono e il raggio diventa meno denso.
"È un po' come una torcia:quando punti una torcia verso un muro, se sei vicino al muro, vedi un piccolo cerchio, ma se ti allontani dal muro, il cerchio diventa sempre più grande, sempre più grande ," ha detto Ochoa-Ricoux.
Poiché il rilevatore vicino sarà vicino alla sorgente del fascio di neutrini, rileverà più interazioni di neutrini in uno spazio più piccolo rispetto al rilevatore lontano. Questo potente afflusso di neutrini presenta alcune sfide per registrare in modo efficiente le interazioni dei neutrini in ND-LAr. Mentre il rilevatore lontano potrebbe captare solo un neutrino alla volta, il rilevatore vicino vedrà molti più neutrini interagire.
"Tutte queste interazioni avvengono praticamente nello stesso momento", ha detto Ochoa-Ricoux. "Dobbiamo essere in grado di districare tutte queste interazioni."
Fortunatamente, i ricercatori dell'Università di Berna e del Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE hanno lavorato su nuovi progetti e tecnologie per un rilevatore di argon liquido più adatto a questa alta densità di neutrini.
Il team dell'Università di Berna ha sviluppato un nuovo progetto per rilevatori di neutrini ad argon liquido. Invece di un solo grande volume di argon liquido, questo design divide il rilevatore in moduli.
Il nuovo design non solo si traduce in una distanza più breve per gli elettroni spogliati verso la superficie di rilevamento, ma fornisce anche una migliore comprensione di dove si verificano le interazioni dei neutrini. Rimpicciolire i moduli mostra la luce prodotta nell'interazione del neutrino in una particolare unità, restringendone la posizione.
Un design modulare significa anche che in ciascun modulo hanno luogo meno interazioni. Di conseguenza, è più facile accoppiare il rilevamento della luce e delle particelle cariche per comprendere l'interazione dei neutrini. Questo tipo di rilevatore può gestire in modo più efficace molte interazioni che si verificano in un breve lasso di tempo.
Queste due conseguenze di un rilevatore diviso lo rendono ideale per ND-LAr, poiché questo design consente un'immagine tridimensionale più accurata di dove è avvenuta l'interazione dei neutrini, ha affermato Michele Weber, professore dell'Università di Berna che lavora al prototipo del rilevatore progettare e guidare l'iniziativa ND-LAr.
"È bello vedere un concetto sviluppato nella nostra università trovare applicazione in DUNE attraverso una collaborazione con Fermilab", ha affermato Weber. "Una sfida che abbiamo dovuto affrontare per sapere quale segnale appartiene a quale interazione è stata quella di migliorare la visualizzazione 3D di ciascuna interazione."
Nel frattempo, al Berkeley Lab, un altro team ha creato un nuovo tipo di sistema di lettura del segnale in grado di gestire l'enorme quantità di dati previsti nel rilevatore vicino.
Tradizionalmente, le camere di proiezione temporale ad argon liquido, o LArTPC, utilizzano una serie di fili stratificati sul lato del rilevatore per catturare il segnale degli elettroni spogliati che vengono rilasciati in un'interazione tra un neutrino e l'argon. Combinando i segnali raccolti dagli strati di fili, che forniscono una serie di proiezioni bidimensionali, si forniscono informazioni sufficienti per ricostruire un'immagine tridimensionale dell'interazione.
Tuttavia, quando ci sono molte interazioni neutrino-argon nel rivelatore - un fenomeno chiamato accumulo di neutrini - questo sistema di lettura non fornisce un'immagine così chiara, ha detto Brooke Russell, un membro di Chamberlain al Berkeley Lab che lavora sul 2×. 2 prototipo.
Invece, il sistema di lettura sviluppato presso il Berkeley Lab utilizza una lettura completamente pixelata, il che significa che ogni canale fisico nel rilevatore corrisponde a un canale di lettura digitale. L'utilizzo di questa serie di pixel mostra direttamente la posizione tridimensionale dell'interazione e può risolvere tutte le numerose interazioni dei neutrini che avvengono quasi simultaneamente.
"Ciò ha importanti implicazioni per i tipi di segnali che costruiamo e per l'intensità dell'attività a cui possiamo essere tolleranti", ha affermato Russell. "Con il rilevatore di prossimità DUNE, per la prima volta, siamo in un regime in cui abbiamo un accumulo di neutrini. Una tale lettura è assolutamente necessaria per ricostruire gli eventi dei neutrini."
I moduli per il prototipo sono stati costruiti e testati presso l'Università di Berna, poi spediti al Fermilab e nuovamente testati prima della loro installazione. Sono in corso i preparativi per l'installazione del prototipo entro la fine dell'anno per testare il rilevamento dei neutrini quando il raggio NuMI si riaccenderà quest'inverno.
Il team di installazione dell'esperimento posizionerà il prototipo del rilevatore in un contenitore raffreddato criogenicamente e lo inserirà tra due pezzi del rilevatore riproposti dall'esperimento sui neutrini MINERvA ritirato al Fermilab. MINERvA ha misurato le interazioni dei neutrini dal 2010 al 2019.
Dato che il prototipo del rivelatore ND-LAr non è molto grande, non può misurare il percorso completo di alcune particelle create quando i neutrini interagiscono con l'argon. Esempi degni di nota sono i muoni, che tipicamente viaggiano per lunghe distanze prima di fermarsi. È qui che entrano in gioco i vecchi componenti del rilevatore MINERvA. Utilizzando questi componenti per tracciare i muoni che escono dal rivelatore del prototipo, gli scienziati possono distinguere i muoni dai pioni carichi, un altro tipo di particella subatomica.
Posizionare il prototipo tra i segmenti MINERvA aiuta anche a identificare i muoni che passano ma non hanno avuto origine nel rilevatore, distinguendoli dai muoni provenienti dall'interno del rilevatore come prodotto delle interazioni dei neutrini.
"Possiamo utilizzare gli aerei MINERvA per aiutarci a tracciare i neutrini che hanno interagito nella roccia a monte del rilevatore e hanno prodotto muoni che sono entrati nel rilevatore", ha affermato Jen Raaf, direttore della Divisione Neutrini del Fermilab che coordina il progetto del prototipo 2×2. . "Saremo in grado di collegare le tracce per identificare quelle [che non hanno avuto origine nel rilevatore] ed eliminarle, perché non è quello che ci interessa."
Gli aerei MINERvA consentono inoltre agli scienziati di tracciare le particelle create nelle interazioni dei neutrini nel LArTPC, ma che escono dal volume di argon prima di fermarsi. "MINERvA ci permetterà di tracciare queste particelle in uscita e misurare la loro energia", ha detto Raaf, "in modo da poter ottenere una stima accurata dell'energia del neutrino quando interagisce nel LArTPC."
Quando il prototipo 2×2 verrà testato nel fascio di neutrini, non solo si garantirà che il prototipo funzioni correttamente, ma i ricercatori potranno anche eseguire esperimenti di fisica dei neutrini, ha affermato Ochoa-Ricoux.
Anche se l'esperimento DUNE in piena regola non inizierà a funzionare prima di molti anni," ha detto, "con questo prototipo produrremo già alcuni importanti risultati di fisica."
Alcuni di questi esperimenti pre-DUNE nel prototipo 2×2 includono lo studio delle reazioni tra i neutrini e l'argon e la misurazione delle sezioni trasversali o della probabilità delle interazioni delle particelle.
Tra il design modulare e la lettura dei pixel, ND-LAr sarà unico tra i rilevatori di neutrini ad argon liquido. Ciò significa che costruire e testare un prototipo è fondamentale per garantire che il design innovativo funzioni come previsto. Quando viene costruito un nuovo pezzo di tecnologia, gli scienziati devono testare ogni fase della costruzione per dimostrarne le capacità, ha affermato Weber.
"ND-LAr ha un design atipico", ha detto Russell. "Vogliamo verificare che alcuni dei principi di progettazione che pensiamo funzioneranno, funzioneranno effettivamente."
È anche importante che un prototipo sia costruito abbastanza grande da garantire che sia possibile costruire e installare l'apparecchiatura finale, ha affermato Raaf.
"Fare qualcosa su scala più piccola, ma abbastanza grande da poter identificare le difficoltà nella costruzione e nell'assemblaggio, è un passo davvero importante di tutti gli esperimenti di fisica delle particelle", ha detto. "Vuoi qualcosa che sia abbastanza grande da poter sperimentare le varie cose che devi fare, come usare una gru per sollevarlo ed essere in grado di spostarlo in determinati modi."
La collaborazione DUNE è organizzata in consorzi che si concentrano su diversi aspetti del progetto. Lo sviluppo del prototipo 2×2 fa parte del consorzio ND-LAr, di cui l'Università di Berna e il Berkeley Lab sono solo due tra decine di istituzioni.
"Tutte queste persone stanno partecipando a questo prototipo a un certo livello, per assicurarsi che ciò che hanno immaginato per la cosa a grandezza naturale funzioni effettivamente su scala più piccola e che non abbiamo bisogno di modificare nulla", ha detto Raaf. "Forse lo faremo, il che va bene, ecco perché realizziamo prototipi. Ci incontriamo settimanalmente e discutiamo, come va? Cosa dobbiamo fare dopo? Cosa è andato bene? Cosa possiamo migliorare?"
Per un compito così grande è necessaria la collaborazione tra più istituzioni, ha affermato Weber, che è a capo del consorzio ND-LAr. Tra il fascio di neutrini del Fermilab, il concetto di rivelatore modulare dell'Università di Berna, la tecnologia di lettura del Berkeley Lab e l'elaborazione e l'analisi dei dati che avviene in molte istituzioni, ogni collaboratore del Consorzio ND-LAr apporta le sue capacità uniche a sostegno di questo progetto.
"Questi sforzi sono troppo grandi per una sola istituzione", ha detto Weber. "Parli con persone diverse e condividi il carico. È una sfida lavorare con molte persone, ma è l'unico modo ed è bello vedere idee diverse unirsi con successo."
Fornito da Fermi National Accelerator Laboratory
