DUNE探测器原型将测试可处理更多中微子的新技术

早在地下深处中微子实验为了扩大我们对宇宙的了解而进行第一次测量之前，该实验探测器的原型就已经在中微子探测技术方面开辟了新的道路。

目前正在建设中的DUNE将是一项横跨800多英里的大型实验。源自美国能源部费米国家加速器实验室的中微子束将穿过位于费米实验室站点的粒子探测器，然后穿过地面到达南达科他州桑福德地下研究设施的巨大探测器。

近距离探测器由一组粒子探测系统组成。其中一个被称为ND-LAr，将配备液氩时间投影室来记录粒子轨迹;它将被放置在一个充满液氩的容器内。当中微子与组成氩原子的粒子之一碰撞时，碰撞会产生更多粒子。当碰撞中产生的每个粒子离开原子核时，它与附近的原子相互作用，剥离一些电子，从而产生光和电荷形式的可检测信号。

ND-LAr经过优化，可以查看这两种类型的信号。DUNE科学家选择液氩作为其中一个近探测器系统，以便在分析ND-LAr和远探测器(也依赖液氩进行粒子探测)的结果时进行直接的一对一比较。

ND-LAr原型机被称为2×2原型机，因为它的四个模块排列成正方形。ND-LAr的最终版本将具有35个模块，每个模块都比原型中使用的模块稍大。很快，2×2原型机将被安装在地下费米实验室NuMI中微子束的路径中进行测试。

“我们将把它放入目前世界上最强烈的中微子束中，”加州大学欧文分校教授胡安·佩德罗·奥乔亚-里库克斯(JuanPedroOchoa-Ricoux)说，他是2×2数据分析工作的共同领导者。原型。“我们将能够在现实环境下测试我们的原型。”

对大量中微子进行分类

2×2原型以及最终的ND-LAr本身将检测到接近其最强点的中微子束。

当来自加速器的质子束与目标碰撞时，会产生其他带电粒子的喷雾，这些粒子会迅速衰变成其他粒子，包括中微子。用于产生中微子的带电粒子束被紧密聚焦，但是当产生中微子束时，它们不能再被引导或聚焦，因为它们不带电荷。当光束穿过空间时，中微子散开，光束的密度降低。

“这有点像手电筒：当你将手电筒对准墙壁时，如果你靠近墙壁，你会看到一个小圆圈，但如果你远离墙壁，圆圈就会变得越来越大。，”奥乔亚-里库说。

由于近探测器将靠近中微子束源，因此它会比远探测器在更小的空间中拾取更多的中微子相互作用。这种强大的中微子涌入对有效记录ND-LAr中的中微子相互作用提出了一些挑战。虽然远探测器一次可能只探测到一个中微子，但近探测器将看到更多的中微子相互作用。

“所有这些相互作用几乎同时发生，”奥乔亚-里库说。“我们需要能够理清所有这些相互作用。”

幸运的是，伯尔尼大学和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员一直在致力于开发更适合这种高密度中微子的液氩探测器的新设计和技术。

伯尔尼大学的团队开发了一种新颖的液氩中微子探测器设计。该设计不是仅使用一大体积的液氩，而是将探测器分成多个模块。

新设计不仅缩短了剥离电子向探测表面漂移的距离，而且还可以更好地了解中微子相互作用发生的位置。使模块变小可以显示一个特定单元中中微子相互作用产生的光，从而缩小其位置。

模块化设计还意味着每个模块中发生的交互更少。因此，更容易将光检测和带电粒子配对来理解中微子相互作用。这种检测器可以更有效地处理短时间内发生的大量交互。

伯尔尼大学研究原型探测器的教授米歇尔·韦伯(MicheleWeber)表示，分割探测器的这两个结果使其成为ND-LAr的理想选择，因为这种设计可以更准确地描述中微子相互作用发生的三维图像。设计并领导ND-LAr工作。

韦伯说：“很高兴看到我们大学开发的一个概念通过与费米实验室的合作在DUNE中得到应用。”“为了了解哪个信号属于哪个交互，我们必须解决的一个挑战是改善每个交互的3D视图。”

获得更清晰的图片

与此同时，在伯克利实验室，另一个团队创建了一种新型信号读出系统，可以处理近距离探测器中预期的大量数据。

传统上，液氩时间投影室(LArTPC)在探测器侧面使用一系列分层导线来捕获中微子和氩之间相互作用中释放的剥离电子的信号。将各层导线收集的信号结合起来，提供一系列二维投影，可以提供足够的信息来重建交互的三维图像。

然而，当探测器中存在大量中微子-氩相互作用时(一种称为中微子堆积的现象)，该读出系统无法提供清晰的图像，伯克利实验室张伯伦研究员布鲁克·拉塞尔(BrookeRussell)说，他致力于2×2原型。

相反，伯克利实验室开发的读出系统使用完全像素化的读出，这意味着探测器中的每个物理通道对应一个数字读出通道。使用这个像素阵列直接显示相互作用的三维位置，并且可以解析几乎同时发生的所有中微子相互作用。

“这对我们构建的信号类型以及我们可以容忍的活动强度具有重大影响，”拉塞尔说。“当DUNE靠近探测器时，我们第一次处于中微子堆积的状态。为了重建中微子事件，这样的读数是绝对需要的。”

测试2×2

原型的模块在伯尔尼大学建造和测试，然后运送到费米实验室并在安装前再次测试。原型机的安装准备工作正在进行中，以便在今年冬天NuMI光束重新打开时测试中微子探测。

该实验的安装团队将把原型探测器放置在低温冷却容器中，并将其夹在费米实验室退役的MINERvA中微子实验的两个重新利用的探测器部件之间。MINERvA测量了2010年至2019年的中微子相互作用。

由于ND-LAr原型探测器不是很大，它无法测量中微子与氩相互作用时产生的一些粒子的完整路径。值得注意的例子是μ子，它通常会在停止之前传播很长的距离。这就是旧的MINERvA探测器组件发挥作用的地方。利用这些组件跟踪离开原型探测器的μ子，科学家可以将μ子与带电π介子(另一种亚原子粒子)区分开来。

将原型放置在MINERvA片段之间还有助于识别正在穿过但并非源自探测器的μ子，将它们与来自探测器内部作为中微子相互作用产物的μ子区分开来。

负责协调2×2原型项目的费米实验室中微子部门主任JenRaaf表示：“我们可以使用MINERvA飞机来帮助我们追踪在探测器上游岩石中相互作用并产生进入探测器的μ子的中微子。”。“我们将能够连接轨道来识别那些[并非源自探测器的]并摆脱它们，因为这不是我们感兴趣的。”

MINERvA飞机还允许科学家追踪LArTPC中中微子相互作用中产生的粒子，但这些粒子在停止之前会离开氩气体积。拉夫说：“MINERvA将使我们能够跟踪这些存在的粒子并测量它们的能量，这样我们就可以准确估计中微子在LArTPC中相互作用时的能量。”

奥乔亚-里库表示，当2×2原型机在中微子束中进行测试时，不仅可以确保原型机正常工作，而且研究人员还可以进行中微子物理实验。

尽管成熟的DUNE实验还要几年才能开始运行，”他说，“我们已经用这个原型产生了一些重要的物理结果。”

2×2原型中的一些DUNE前实验包括研究中微子和氩之间的反应，以及测量横截面或粒子相互作用的可能性。

在模块化设计和像素读出之间，ND-LAr在液氩中微子探测器中是独一无二的。这意味着构建和测试原型对于确保创新设计按预期工作至关重要。韦伯说，当一项新技术建成时，科学家必须测试建造的每一步，以证明其能力。

“ND-LAr具有非典型的设计，”拉塞尔说。“我们想要验证一些我们认为有效的设计原则是否真的有效。”

拉夫说，原型机必须足够大，以确保最终的设备能够构建和安装，这一点也很重要。

她说：“在较小的规模上做一些事情，但足够大，以便你能够识别构建和组装中的困难，这是所有粒子物理实验中非常重要的一步。”“你想要一个足够大的东西来体验你必须做的各种事情，比如用起重机拿起它并能够以某种方式移动它。”

DUNE合作组织成联盟，专注于项目的不同方面。2×2原型机的开发是ND-LAr联盟的一部分，伯尔尼大学和伯克利实验室只是该联盟数十个机构中的两个。

拉夫说：“所有这些人都在某种程度上参与了这个原型，以确保他们对全尺寸产品的设想实际上可以在较小的规模上发挥作用，并且我们不需要进行任何调整。”“也许我们会，这很好——这就是我们制作原型的原因。我们每周开会讨论进展如何?下一步我们需要做什么?哪些方面进展顺利?我们可以改进哪些方面?”

ND-LAr联盟的负责人Weber表示，对于如此庞大的任务，多个机构之间的合作是必要的。在费米实验室的中微子束、伯尔尼大学的模块化探测器概念、伯克利实验室的读出技术以及许多机构进行的数据处理和分析之间，ND-LAr联盟的每个合作者都将其独特的能力用于该项目。

韦伯说：“这些努力对于一个机构来说太大了。”“你与不同的人交谈，分担负担。与很多人一起工作是一个挑战，但这是唯一的方法，很高兴看到不同的想法成功地结合在一起。”