Derin Yeraltı Nötrino Deneyi, evrene dair anlayışımızı genişletmek amacıyla ilk ölçümlerini yapmadan çok önce, deneyin dedektörlerinden birinin prototipi, nötrino tespit teknolojisinde yeni çığır açıyordu.
Şu anda yapım aşamasında olan DUNE, 800 milden fazla alanı kapsayan devasa bir deney olacak.ABD Enerji Bakanlığı'nın Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı'ndan çıkan bir nötrino ışını, Fermilab sahasında bulunan bir parçacık detektöründen geçecek, ardından topraktan geçerek Güney Dakota'daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi'ndeki devasa bir detektöre ulaşacak. Kayıt Hata Dedektörü
Yakın dedektör bir dizi parçacık algılama sisteminden oluşur.Bunlardan biri, ND-LAr olarak bilinen, parçacık izlerini kaydetmek için sıvı argon zaman projeksiyon odasına sahip olacak;sıvı argonla dolu bir kabın içine yerleştirilecektir.Bir nötrino, argon atomlarını oluşturan parçacıklardan biriyle çarpıştığında, çarpışma daha fazla parçacık üretir.Çarpışmada oluşan her parçacık çekirdeğin dışına doğru ilerledikçe yakındaki atomlarla etkileşime giriyor, elektronlarının bir kısmını sıyırıyor ve ışık ve yük biçiminde tespit edilebilir sinyallerin üretilmesine yol açıyor.ND-LAr, bu tür sinyallerin her ikisini de görecek şekilde optimize edilmiştir.DUNE bilim insanları, hem ND-LAr'dan hem de parçacık tespiti için sıvı argon kullanan uzak dedektörden gelen sonuçları analiz ederken doğrudan, birebir karşılaştırmalar yapabilmek amacıyla yakın dedektör sistemlerinden biri için sıvı argonu seçti.
ND-LAr prototipi, dört modülü kare şeklinde düzenlenmiş olduğundan 2x2 prototip adını aldı.ND-LAr'ın son versiyonu, her biri prototip için kullanılanlardan biraz daha büyük olan 35 modülden oluşacak.Yakında, 2x2 prototipi test için Fermilab'ın NuMI nötrino ışınının yoluna yeraltına kurulacak.
2×2 için veri analizi çabalarına liderlik eden Irvine Kaliforniya Üniversitesi'nden profesör Juan Pedro Ochoa-Ricoux, "Bunu şu anda dünyanın en yoğun nötrino ışınına koyacağız" dedi. prototip."Prototipimizi gerçekçi koşullar altında test edebileceğiz."
2x2 prototip ve sonunda ND-LAr'ın kendisi, nötrino ışınını en yoğun noktasına yakın bir yerde tespit edecek.
Hızlandırıcıdan gelen bir proton ışını bir hedefle çarpıştığında, nötrinolar da dahil olmak üzere diğer parçacıklara hızla bozunan diğer yüklü parçacıklardan oluşan bir sprey oluşturur.Nötrinoları oluşturmak için kullanılan yüklü parçacıklardan oluşan ışın sıkı bir şekilde odaklanmıştır, ancak bu nötrino ışını oluşturulduğunda, yükleri olmadığından artık yönlendirilemez veya odaklanamazlar.Işın uzayda ilerledikçe nötrinolar yayılır ve ışının yoğunluğu azalır.
“Biraz el fenerine benziyor: El fenerini bir duvara doğrultursanız, duvara yakınsanız küçük bir daire görürsünüz, ancak duvardan uzaklaşırsanız daire büyür, büyür ve büyür. " dedi Ochoa-Ricoux.
Yakın dedektör, nötrino ışınının kaynağına yakın olacağından, uzak dedektöre göre daha küçük bir alanda daha fazla nötrino etkileşimi yakalayacaktır.Nötrinoların bu güçlü akışı, ND-LAr'daki nötrino etkileşimlerinin verimli bir şekilde kaydedilmesi için bazı zorluklar ortaya çıkarmaktadır.Uzak dedektör aynı anda yalnızca bir nötrino yakalayabilirken, yakın dedektör çok daha fazla nötrinonun etkileşime girdiğini görecektir.
Ochoa-Ricoux, "Bütün bu etkileşimler neredeyse aynı anda gerçekleşiyor" dedi.“Tüm bu etkileşimleri çözebilmemiz gerekiyor.”
Neyse ki, Bern Üniversitesi'ndeki araştırmacılar ve DOE'nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, bu yüksek nötrino yoğunluğuna daha uygun bir sıvı argon dedektörü için yeni tasarımlar ve teknoloji üzerinde çalışıyorlar.
Bern Üniversitesi'ndeki ekip, sıvı argon nötrino dedektörleri için yeni bir tasarım geliştirdi.Bu tasarım, yalnızca büyük miktarda sıvı argon yerine dedektörü modüllere böler.
Yeni tasarım, yalnızca soyulmuş elektronların tespit yüzeyine doğru sürüklenmeleri için daha kısa bir mesafe sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda nötrino etkileşimlerinin nerede gerçekleştiğinin daha iyi anlaşılmasını da sağlıyor.Modülleri küçültmek, belirli bir birimde nötrino etkileşiminde üretilen ışığın konumunu daraltarak gösterir.
Mürettebat, 2×2 prototipini sıvı argon kriyostatına yerleştirilmek üzere yerine taşıdı; burada NuMI nötrino ışınında veri toplayacak.Fotoğraf: Dan Svoboda, Fermilab
Modüler tasarım aynı zamanda her modülde daha az etkileşimin gerçekleşmesi anlamına gelir.Sonuç olarak, nötrino etkileşimini anlamak için ışığın ve yüklü parçacıkların tespitini eşleştirmek daha kolaydır.Bu tür bir dedektör, kısa sürede gerçekleşen çok sayıda etkileşimi daha etkili bir şekilde yönetebilir.
Bern Üniversitesi'nde prototip dedektör üzerinde çalışan profesör Michele Weber, bölünmüş dedektörün bu iki sonucunun onu ND-LAr için ideal hale getirdiğini, çünkü bu tasarımın nötrino etkileşiminin nerede gerçekleştiğine dair daha doğru üç boyutlu bir resme olanak sağladığını söyledi. ND-LAr çabalarını tasarlıyor ve yönetiyor.
Weber, "Üniversitemizde geliştirilen bir konseptin, Fermilab ile yapılan işbirliği yoluyla DUNE'de uygulama bulmasını görmek harika" dedi."Hangi sinyalin hangi etkileşime ait olduğunu bilmek için çözmemiz gereken zorluklardan biri, her etkileşimin 3 boyutlu görünümünü iyileştirmekti."
Bu arada, Berkeley Laboratuvarı'nda başka bir ekip, yakın dedektörde beklenen büyük miktardaki veriyi ele alabilecek yeni türde bir sinyal okuma sistemi yarattı.
Geleneksel olarak, sıvı argon zaman projeksiyon odaları veya LArTPC, bir nötrino ile argon arasındaki etkileşimde salınan soyulmuş elektronlardan gelen sinyali yakalamak için dedektörün yanında bir dizi katmanlı kablo kullanmıştır.Bir dizi iki boyutlu projeksiyon sağlayan kablo katmanları tarafından toplanan sinyallerin birleştirilmesi, etkileşimin üç boyutlu bir resmini yeniden oluşturmak için yeterli bilgiyi sağlar.
Bununla birlikte, 2× üzerinde çalışan Berkeley Laboratuvarı'ndan Chamberlain üyesi Brooke Russell, dedektörde çok fazla nötrino-argon etkileşimi olduğunda (nötrino birikmesi adı verilen bir olay) bu okuma sisteminin o kadar net bir resim sağlamadığını söyledi. 2 prototip.
Bunun yerine Berkeley Laboratuvarı'nda geliştirilen okuma sistemi tamamen pikselli bir okuma kullanıyor; bu, dedektördeki her fiziksel kanalın bir dijital okuma kanalına karşılık geldiği anlamına geliyor.Bu piksel dizisinin kullanılması, etkileşimin üç boyutlu konumunu doğrudan gösterir ve neredeyse aynı anda meydana gelen birçok nötrino etkileşiminin tamamını çözebilir.
Russell, "Bunun, oluşturduğumuz sinyal türleri ve hoşgörülü olabileceğimiz aktivite yoğunluğu üzerinde önemli etkileri var" dedi."DUNE yakın dedektörüyle ilk kez nötrino birikiminin olduğu bir rejimdeyiz.Nötrino olaylarını yeniden yapılandırmak için böyle bir okumaya kesinlikle ihtiyaç var.”
Prototipin modülleri Bern Üniversitesi'nde üretilip test edildi, ardından Fermilab'a gönderildi ve kurulumdan önce tekrar test edildi.NuMI ışını bu kış tekrar açıldığında nötrino tespitini test etmek amacıyla prototipin yıl sonuna kadar kurulumu için hazırlıklar sürüyor.
Deneyin kurulum ekibi, prototip dedektörü kriyojenik olarak soğutulmuş bir kaba yerleştirecek ve onu, Fermilab'da kullanımdan kaldırılan MINERvA nötrino deneyinden alınan, yeniden tasarlanmış iki dedektör parçasının arasına yerleştirecek.MINERvA, 2010'dan 2019'a kadar nötrino etkileşimlerini ölçtü.
ND-LAr prototip dedektörü çok büyük olmadığından, nötrinoların argonla etkileşime girmesiyle oluşan bazı parçacıkların tam yolunu ölçemez.Dikkate değer örnekler, genellikle durmadan önce uzun mesafeler kat eden müonlardır.Eski MINERvA dedektör bileşenlerinin devreye girdiği yer burasıdır.Bilim insanları, prototip dedektörden çıkan müonları takip etmek için bu bileşenleri kullanarak, müonları başka bir tür atom altı parçacık olan yüklü pionlardan ayırt edebiliyorlar.
Prototipin MINERvA bölümleri arasına yerleştirilmesi aynı zamanda içinden geçen ancak dedektörden kaynaklanmayan müonların tanımlanmasına da yardımcı olur ve bunları nötrino etkileşimlerinin bir ürünü olarak dedektörün içinden gelen müonlardan ayırır.
2x2 prototip projesini koordine eden Fermilab Nötrino Bölümü yöneticisi Jen Raaf, "MINERvA uçaklarını, dedektörün yukarı akışındaki kayayla etkileşime giren ve dedektöre giren müonlar oluşturan nötrinoları izlememize yardımcı olması için kullanabiliriz" dedi. ."[Dedektörden kaynaklanmayanları] tespit etmek ve onlardan kurtulmak için izleri birleştirebileceğiz, çünkü ilgilendiğimiz şey bu değil."
MINERvA uçakları aynı zamanda bilim adamlarının LARTPC'deki nötrino etkileşimlerinde oluşturulan, ancak durmadan önce argon hacminden çıkan parçacıkları izlemelerine de olanak tanıyor.Raaf, "MINERvA, bu mevcut parçacıkları takip etmemize ve enerjilerini ölçmemize olanak tanıyacak, böylece nötrino'nun LArTPC ile etkileşime girdiği andaki enerjisi hakkında doğru bir tahminde bulunabileceğiz" dedi.
Ochoa-Ricoux, 2x2 prototipin nötrino ışınında test edilmesinin, yalnızca prototipin düzgün çalışmasını sağlamakla kalmayıp aynı zamanda araştırmacıların nötrino fiziği deneyleri de gerçekleştirebileceğini söyledi.
Her ne kadar tam gelişmiş DUNE deneyi birkaç yıl daha faaliyete geçmeyecek olsa da, bu prototiple şimdiden bazı önemli fizik sonuçları üreteceğiz” dedi.
2x2 prototipindeki bu DUNE öncesi deneylerden bazıları, nötrinolar ve argon arasındaki reaksiyonların incelenmesini ve kesitlerin ölçülmesini veya parçacık etkileşimlerinin olasılığını içerir.
Modüler tasarımı ve piksel okuması sayesinde ND-LAr, sıvı argon nötrino dedektörleri arasında benzersiz olacaktır.Bu, yenilikçi tasarımın beklendiği gibi çalışmasını sağlamak için bir prototip oluşturmanın ve test etmenin çok önemli olduğu anlamına gelir.Weber, yeni bir teknoloji parçası inşa edilirken, bilim adamlarının bu teknolojinin yeteneklerini göstermek için yapının her adımını test etmesi gerektiğini söyledi.
Russell, "ND-LAr'ın alışılmadık bir tasarımı var" dedi."İşe yarayacağını düşündüğümüz bazı tasarım ilkelerinin gerçekten işe yarayacağını doğrulamak istiyoruz."
Raaf, ekipmanın son parçasının inşa edilip kurulmasının mümkün olmasını sağlayacak kadar büyük bir prototip üretilmesinin de önemli olduğunu söyledi.
"Daha küçük ölçekte ancak inşaat ve montajdaki zorlukları tespit edebilecek kadar büyük bir şey yapmak, tüm parçacık fiziği deneyleri için gerçekten önemli bir adımdır" dedi."Yapmanız gereken çeşitli şeyleri deneyimlemek için yeterince büyük bir şey istiyorsunuz; örneğin onu kaldırmak için bir vinç kullanmak ve onu belirli şekillerde hareket ettirebilmek."
DUNE işbirliği, projenin farklı yönlerine odaklanan konsorsiyumlar halinde organize edilmiştir.2×2 prototipinin geliştirilmesi, Bern Üniversitesi ve Berkeley Laboratuvarı'nın düzinelerce kurum arasında yalnızca ikisi olduğu ND-LAr Konsorsiyumu'nun bir parçası.
Raaf, "Bu insanların tümü, tam boyutlu şey için düşündüklerinin aslında daha küçük ölçekte çalıştığından ve hiçbir şeyi değiştirmemize gerek kalmadığından emin olmak için bu prototipe bir düzeyde katılıyor" dedi.“Belki de yaparız, bu iyi bir şey; bu yüzden prototipler yapıyoruz.Haftada bir buluşup tartışıyoruz, nasıl gidiyor?Bundan sonra ne yapmamız gerekiyor?Ne iyi gitti?Neyi geliştirebiliriz?”
ND-LAr Konsorsiyumunun lideri olarak görev yapan Weber, bu kadar büyük bir görev için birden fazla kurum arasındaki işbirliğinin gerekli olduğunu söyledi.Fermilab'ın nötrino ışını, Bern Üniversitesi'nin modüler dedektör konsepti, Berkeley Laboratuvarı'nın okuma teknolojisi ve birçok kurumda gerçekleştirilen veri işleme ve analiz arasında, ND-LAr Konsorsiyumu'ndaki her işbirlikçi, bu projeye katılmak için benzersiz yeteneklerini getiriyor.
Weber, "Bu çabalar tek bir kurum için çok büyük" dedi.“Çeşitli insanlarla konuşuyorsunuz ve yükü paylaşıyorsunuz.Pek çok insanla çalışmak zor ama tek yol bu ve farklı fikirlerin başarılı bir şekilde bir araya geldiğini görmek güzel."
Gözetim Çözümü Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi tarafından desteklenmektedir.Bilim Ofisi, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki fizik bilimlerindeki temel araştırmaların en büyük destekçisidir ve zamanımızın en acil zorluklarından bazılarını çözmek için çalışmaktadır.Daha fazla bilgi için lütfen science.energy.gov adresini ziyaret edin.