最近几个月，欧洲核子研究中心(CERN)的中微子研究设施一直忙得不可开交。来自世界各地的科学家、工程师和技术人员聚集在那里组装一个新型粒子探测器的大型原型，以研究中微子，这是宇宙中最神秘的粒子类型之一。

DUNE协作测试第二个探测器模块的新技术

中微子无处不在，但它们很少与物质相互作用。每一秒，数以万亿计的此类粒子穿过我们的身体，无影无踪。通过研究这些幽灵般的粒子，物理学家希望能够回答这样的问题：为什么宇宙是由物质构成的?四种自然力之间的关系是什么?恒星爆炸后黑洞是如何形成的?

从事国际深层地下中微子实验的研究人员由美国能源部费米国家加速器实验室主持的他们在CERN的原型探测器上所做的工作使他们离实现这一目标又近了一步。

DUNE所需的基础设施非常庞大。它包括费米实验室的一个新粒子加速器，它将产生一束中微子束，该束将穿过1,300公里的地球，然后到达南达科他州的桑福德地下研究设施。在SURF，这些粒子将受到DUNE远探测器的欢迎，DUNE远探测器是一个位于地表以下1.5公里处的巨大地下探测器。该探测器将包含含有氩的巨大探测器模块，氩是一种高度稳定的元素，非常适合研究中微子。DUNE远距离探测器的地下洞穴挖掘工作已完成约60%。

测试新技术

DUNE合作组织的成员包括来自超过35个国家/地区的科学家和工程师，他们正忙于设计、测试和构建将安装在SURF的前两个DUNE探测器模块的组件。第一个模块将是一个水平漂移检测器，它基于一种经过试验和测试的技术，该技术将针对DUNE进行扩展。第一个模块的组件量产已经开始。第二个模块，称为垂直漂移探测器，将采用新技术。过去两年一直在进行测试。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的垂直漂移探测器技术协调员史蒂夫凯特尔说：“我期待水平和垂直漂移探测器都能产生令人兴奋的物理学。”“但垂直漂移技术为构建成本更低且更易于安装的额外探测器提供了重要机会。”

水平与垂直

在基本层面上，水平和垂直漂移检测器的工作方式相同。当中微子与探测器充满液氩的室内的氩原子相互作用时，在这种相互作用中产生的粒子会释放电子。检测器室相对两侧之间的强电场将这些松散的电子推向阳极，这是一个检测带电粒子到达的大型结构。在水平漂移探测器中，电场存在于两个相对的壁之间，电子水平漂移;在垂直漂移探测器中，电场在探测器的底部和顶部之间运行，电子垂直漂移。氩-中微子相互作用还会产生短暂的闪光，两个探测器都用单独的光子探测系统捕捉到这种闪光。

“从根本上说，垂直漂移和水平漂移没有什么不同，”凯特尔解释道。“我们正在以基本相同的方式检测中微子事件。”

不同之处在于细节。水平漂移检测器的阳极由大平面紧密缠绕的电线组成，称为阳极平面组件或APA。它们高6米，宽2.3米。另一方面，垂直漂移检测器的阳极将由电荷读出平面或CRP组成。它们是3米乘3.5米的大型穿孔印刷电路板，表面印有铜带。与APA中的导线一样，CRP中的铜条会收集漂移的电子。

DUNE垂直漂移探测器将在顶部和底部配备多层CRP。“CRP有2.5毫米的孔，因此电荷可以穿过并到达另一层并被收集，”CRP联盟负责人、法国国家科学研究中心的物理学家DominiqueDuchesneau说。他补充说，每个CRP层都有不同方向的铜带，这“使您有可能获得多个电子视图。”

这种新设计的高压扩展器有助于在垂直漂移原型探测器的顶部和底部之间产生300,000伏的电场。图片来源：DUNE协作

CRP的一个关键优势在于，由于它们由简单的镀金属电路板而非紧密的电线线圈制成，因此与APA相比，它们更便宜且更易于制造和安装。

“通过垂直漂移检测器，我们试图证明我们可以制造出一种工作同样出色的更便宜的检测器，”Kettell说。

因为垂直漂移检测器技术比水平漂移需要更少的元件，所以它提供了更大的活性体积。西班牙能源、环境和技术研究中心的DUNE物理协调员InésGil-Botella说，更大的活动体积意味着将有更多的空间可以收集粒子相互作用。“你正在最大限度地提高在这种液态氩中看到中微子相互作用的可能性。”

另一项创新是DUNE科学家计划为垂直漂移探测器构建的光子探测系统，这是ARAPUCA技术的升级版另一项创新是DUNE科学家计划为垂直漂移探测器构建的光子探测系统，这是为第一个DUNE远探测器模块开发的这个新系统将覆盖所有四个低温恒温器壁以及带有光子检测模块的阴极。(相比之下，在水平漂移检测器中，光子检测器仅嵌入APA平面中，在电线后面。)为了给设置为300千伏的高压阴极上的光传感器供电和读取，垂直漂移队使用强大的激光器，通过光纤提供能量。

此外，垂直漂移检测器内的氩气将掺杂氙气，以增加当粒子与液体中的原子相互作用时检测到的光子数量，并提高整个腔室中光检测的均匀性。Gil-Botella说，这些特性将使这个光子探测系统更有能力探测低能物理事件，例如由超新星或太阳中微子事件触发的事件。

热闹的活动

研究DUNE垂直漂移探测器的团队来自世界各地。CERN、法国、意大利、西班牙和美国做出了重大贡献，但成员也来自欧洲、亚洲和拉丁美洲的其他几个国家。“在许多方面都取得了巨大进步，”凯特尔说。

这个小组一直很忙。迄今为止，他们已经在装有阴极、电子设备和光子检测系统的50升液氩填充室中成功测试了小型32厘米x32厘米的CRP。Kettell说，这个早期的原型能够以“良好的信噪比性能”从宇宙射线轨道收集数据。他们还在CERN的一个大型冷箱中测试了带有阴极、电子设备和光子检测系统的全尺寸3米x3.5米CRP。

该团队已经证明，垂直漂移探测器的组件可以读出300千伏的信号——这是在全尺寸DUNE探测器中产生电场所需的高电压。他们还表明，电子可以漂移六米——电子在最终尺寸模块中移动的最大距离——并使用CRP接收这些轨迹。Gil-Botella说：“我们将面临的下一个重要里程碑是在更大范围内安装所有系统。”

该团队现在正在欧洲核子研究中心的一个大型低温容器中将零件组装成一个更大的垂直漂移原型，称为“垂直漂移模块-0”，大约有一个小房子那么大。该原型将在探测器的顶部和底部包含两个全尺寸CRP，阴极安装在中间，以及一个先进的光子探测系统。在探测器上半部分松散的电子将向上漂移到顶部的CRP组，而在下半部分产生的电子将向下漂移，直到它们到达底部的CRP层。CRP的发展一直由法国主导，在法国建设顶级CRP，在美国建设底层CRP

DUNE研究人员的目标是在2023年春季完成垂直漂移原型探测器的安装。完成后，团队将在探测器中填充液态氩并开启探测器，以便科学家们观察粒子束和宇宙射线留下的轨迹通过它。

最终，目标是在2027年准备好垂直漂移探测器的组件安装在南达科他州的一个大型洞穴中。

“我真正希望看到的是在SURF的大型低温恒温器中安装第一批CRP，这将在几年内完成，”Duchesneau说。“与此同时，我认为模块0在垂直漂移的真实配置中运行和获取数据是非常令人兴奋的一步。”