科学家利用原型探测器首次观测到中微子

作为国际深层地下中微子实验(DUNE)的重要一步，科学家使用美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)的DUNE原型粒子探测器探测到了第一批中微子。

DUNE新原型探测器的核心革命性新技术是LArPix，这是一种创新的端到端像素化传感器和电子系统，能够以真正的3D形式对中微子事件进行成像，该系统由劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的物理学家和工程师团队构思、设计和建造，并于今年早些时候安装在费米实验室。

目前正在建设中的DUNE将成为世界上最全面的中微子实验。它将使科学家能够探索中微子研究的新领域，并可能解决宇宙中一些最大的物理谜团，包括寻找物质的起源以及更多地了解超新星和黑洞的形成。

由于DUNE将采用新设计和新技术，科学家们正在测试原型设备和组件，为最终的探测器安装做准备。今年2月，DUNE团队在费米实验室现有的中微子光束线路径上完成了最新原型探测器的安装。7月10日，该团队宣布他们成功地在原型探测器中记录了第一批加速器产生的中微子，这是验证该设计的一步。

负责协调模块安装的费米实验室科学家路易斯·苏特(LouiseSuter)表示：“这是一个真正意义重大的里程碑，展示了这项技术的潜力。很高兴看到探测器设计、建造和安装所付出的辛勤工作得到认可。”

伯克利实验室负责新中微子探测系统的工程集成，该系统是DUNE近探测器综合体的一部分，将建在费米实验室场地上。它的原型(称为2×2原型，因为它有四个模块排列成正方形)使用液态氩时间投影室记录粒子轨迹。

“DUNE需要能够承受高强度环境的液态氩TPC(LArTPC)探测器，但这被认为是不可能的，”伯克利实验室中微子物理组负责人、ND-LAr联盟项目技术负责人DanDwyer表示，该联盟为新系统的设计和制造贡献了关键要素。“通过发明LArPix，我们LBNL的团队将这个梦想变成了现实。现在安装在DUNE的2×2演示器将我们的真3D读数与高覆盖率光探测器相结合，产生了真正创新的粒子探测器。”

布鲁克·拉塞尔(BrookeRussell)曾任伯克利实验室的张伯伦博士后研究员，现为麻省理工学院的尼尔和简·帕帕拉多(NeilandJanePappalardo)物理学特别研究员，她在2×2原型的开发中发挥了至关重要的作用，她将其描述为“首创的探测器，拥有超过337,000个独立的电荷敏感像素，粒度约为4毫米。”伯克利实验室在COVID-19大流行期间领导了端到端像素化电荷读出系统的设计、构建和测试。

拉塞尔表示：“2×2原型在中微子束中的运行将开启中微子相互作用测量的高保真、固有3DLArTPC图像的新时代。”

DUNE近地探测器的最终版本将配备35个液态氩模块，每个模块都比原型中的模块大。这些模块将有助于引导近地探测器预计产生的大量中微子流。

2×2原型采用了新技术，能够实现全新细致、尖端的中微子成像，以应对DUNE的独特条件。它拥有一个毫米大小的像素读出系统，由伯克利实验室的一个团队开发，可以实现大规模的高精度3D成像。这一点，加上其模块化设计，使原型有别于之前的ICARUS和MicroBooNE等中微子探测器。

现在，2×2原型提供了第一个加速器中微子数据，供DUNE合作组织进行分析和发布。

DUNE分为两个相距数百英里的地点：来自芝加哥附近费米实验室的中微子束将穿过位于费米实验室现场的粒子探测器，然后穿过地面800英里，到达南达科他州桑福德地下研究设施(SURF)的几个巨型探测器。

费米实验室的DUNE探测器将分析中微子束的起源地，那里的中微子束强度极高。合作者预计，这个近距离探测器每脉冲将记录大约50次相互作用，每秒都会发生一次，在DUNE预计运行的许多年里，将探测到数亿次中微子。科学家还将使用DUNE研究中微子的反物质对应物——反中微子。

这种前所未有的加速器产生的中微子和反中微子流将使DUNE实现雄心勃勃的科学目标。物理学家将利用DUNE的近距和远距探测器研究这些粒子，以进一步了解它们在传播过程中如何改变类型，这种现象被称为中微子振荡。通过寻找中微子振荡和反中微子振荡之间的差异，物理学家将寻找对称性破缺(即CP破坏)的证据，以确定中微子是否可能是宇宙中物质普遍存在的原因。

DUNE合作项目由来自200多个研究机构的1,400多名科学家和工程师组成。其中近40家机构致力于近地探测器的研发。具体来说，2×2原型的硬件开发由瑞士伯尔尼大学、美国能源部费米实验室、伯克利实验室和SLAC国家加速器实验室牵头，许多大学也做出了重要贡献。

“2×2演示器是一份真正用心打造的成果，”德怀尔说。“它始于几个敬业的团队，他们看到了这些新技术结合起来成为卓越粒子探测器的潜力。现在项目正在向前推进，结果非常令人印象深刻，2×2演示器拍摄的这些壮观图像证明我们走在了正确的道路上。”

“很高兴看到我们开发的技术能够成功测量如此高强度光束中的中微子，”伯尔尼大学教授米歇尔·韦伯(MicheleWeber)说道。模块化设计的概念就是在伯尔尼大学诞生的，四个模块也是在伯尔尼大学组装和测试的。他领导着新粒子探测系统的工作。“这项技术能够同时记录多个中微子相互作用，成功演示了这项技术将为建造DUNE液氩近探测器铺平道路。”

测试2×2原型是必要的，以证明创新设计和技术能够大规模有效满足近探测器的要求。能够探测高速率中微子和反中微子的模块化液氩探测器此前从未建造或测试过。

现有的费米实验室光束线是进行测试的理想场所，为研究人员测量这些神秘粒子提供了激动人心的机会。它目前以“反中微子模式”运行，因此DUNE科学家将使用2×2原型研究反中微子与氩之间的相互作用。

当反中微子撞击氩原子时，它们会相互作用并产生其他粒子，就像在充满氩气的近探测器中一样。原型将观察产生哪些类型的粒子以及产生频率。研究这些反中微子相互作用将为科学家准备使用DUNE比较中微子和反中微子振荡。

“分析这些数据是我们早期科学家积累经验的绝佳机会，”2×2原型的首次运行协调员、伯克利实验室的张伯伦博士后研究员凯文·伍德(KevinWood)表示，原型的新型读出系统就是在该实验室开发的。“2×2原型拍摄的中微子相互作用将为我们的研究生、博士后和其他年轻合作者提供备受期待的数据集，供他们进行分析，我们将继续为DUNE上线做准备。”

DUNE合作计划用费米实验室光束的中微子轰击2×2原型数月。

意大利博洛尼亚大学物理学教授、DUNE联合发言人SergioBertolucci(与布鲁克海文国家实验室的MaryBishai一起)表示：“对于2×2团队和整个DUNE合作来说，这是一个激动人心的里程碑。希望这能成为DUNE众多中微子相互作用中的第一次。”