Представьте, что вы стоите в конце длинного коридора без окон. Единственный свет — это луч фонарика в вашей руке, освещающий всю длину зала. На пути луча есть две прозрачные коробки: одна прямо перед вами, другая в дальнем конце зала. Поскольку свет луча распространяется по мере движения, дальний ящик освещен тускло, а ближний — ослепляюще ярко.
В целом, это разница между тем, что увидят ближние и дальние детекторы, когда в конце этого десятилетия начнется международный эксперимент глубокого подземного нейтрино (DUNE), проводимый Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США. Но вместо света от фонарика DUNE отправит пучок частиц через несколько детекторов, чтобы разгадать большие загадки физики элементарных частиц, включая то, почему Вселенная развивалась определенным образом.
В основе эксперимента лежат неуловимые частицы, называемые нейтрино, которые ученые будут изучать с помощью детекторов под землей в Фермилаб в Иллинойсе и в подземном исследовательском центре Сэнфорда, либо SURF в Южной Дакоте. Дальний детектор, расположенный в 1300 км от источника луча, будет обнаруживать примерно одно нейтрино за каждые 4 часа сбора данных — тусклый свет в нашей аналогии. Ближний детектор, расположенный на расстоянии около 600 метров от источника луча, будет бомбардироваться нейтрино, улавливая около дюжины нейтрино каждую секунду.
Коллаборация ArgonCube собрала первый из четырех прототипов модулей детектора нейтрино для ближнего детектора DUNE в Бернском университете в Швейцарии. Модуль сейчас находится на пути в Фермилаб для тестирования пучком нейтрино
В течение последних 6 лет международное сотрудничество более сотни ученых и инженеров из 31 учреждения работало над ArgonCube, детектором нового типа, который гарантирует, что ближний детектор может успешно видеть все взаимодействия нейтрино без «бликов».
— Было задействовано множество людей, в том числе много студентов и постдоков, — сказала Мишель Вебер, возглавляющая группу в Берне, работающую над детектором ближнего света.
Нейтрино бывает трех видов, называемых ароматизаторами. Но благодаря некоторым квантовым махинациям природы, известным как колебания, они меняют вкус во время путешествия. Ближайшие и дальние детекторы DUNE будут регистрировать ароматы, составляющие луч, в начале и в конце пути от Фермилаба до SURF. Глядя на то, как нейтрино меняются во время своего путешествия, ученые узнают о фундаментальных строительных блоках материи и о том, как возникла Вселенная.
Два основных нововведения помогут ArgonCube отсортировать поток нейтринных данных. Первый — это пиксельное считывание заряда, которое добавляет третье измерение к сбору данных. Современные детекторы, такие как ProtoDUNE, огромный стенд для тестирования дальних детекторов DUNE, используют провода для сбора заряда. Несмотря на свою мощь, эти системы создают только трехмерное изображение взаимодействия частиц путем наложения нескольких двухмерных изображений. В шквале хаотических и перекрывающихся взаимодействий частиц в ближнем детекторе дополнительное пространственное измерение, обеспечиваемое ArgonCube, упростит для ученых различение почти одновременных нейтринных событий. Каждый модуль прототипа ArgonCube имеет около 80 тысяч пикселей.
Четыре модуля — прототипа ArgonCube пройдут испытания с нейтринным пучком NuMI, работающим на ускорителе «Главный инжектор» Фермилаб. Каждый модуль имеет высоту почти 6 футов. Ближний детектор DUNE будет состоять из 35 модулей, каждый из которых в пять раз больше по объему, чем модуль — прототип.
Другая особенность ArgonCube, которая поможет ученым различать множественные взаимодействия нейтрино в ближнем детекторе, — это модульность. Последний детектор будет состоять из 35 независимых модулей ArgonCube, совместно использующих одну криогенную аргоновую ванну.
— Наличие нескольких томов поиска помогает нам замечать каждое отдельное взаимодействие», — сказал Вебер. Несмотря на название, модули ArgonCube (куб) на самом деле прямоугольные. Прототип, который в настоящее время находится на пути в Фермилаб, имеет высоту почти 1,8 метра в высоту с квадратным основанием 3/4 метра. Окончательные модули для ближнего детектора будут примерно вдвое выше и в 5 раз больше по объему.
Модульная конструкция означает, что заряд и свет, производимые нейтринными взаимодействиями, не должны перемещаться так далеко для достижения электроники, которая их регистрирует. Следовательно, напряжение электрического поля не должно быть слишком высоким. Это снижает потребность в источниках высокого напряжения и делает работу с детектором более простой и безопасной.
ArgonCube также включает улучшенную систему обнаружения света, важную для восстановления времени взаимодействия частиц. Он также имеет новый, более компактный способ создания внутреннего электрического поля.
Полное исследование можно прочесть здесь.
