Images bidimensionnelles d'une interaction de neutrinos dans MicroBooNE montrées à différentes étapes du traitement du signal (de gauche à droite) :les données originales enregistrées par le détecteur avec un excès de bruit (lignes horizontales); les mêmes données après élimination du bruit en excès ; la distribution reconstruite des électrons d'ionisation après l'application d'une technique de traitement du signal appelée déconvolution dans une dimension ; la distribution reconstruite des électrons d'ionisation après la dernière version du traitement du signal, qui comprenait la déconvolution 2D, comme décrit dans les deux articles qui viennent d'être publiés. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les neutrinos sont des particules subatomiques subtiles qui, selon les scientifiques, jouent un rôle clé dans l'évolution de notre univers. Ils découlent en permanence des réactions nucléaires de notre Soleil et d'autres étoiles, mais traversent presque tout, même notre corps et la Terre elle-même, sans laisser de trace. Les scientifiques qui veulent étudier ces étranges, les particules légères doivent construire des détecteurs extrêmement sensibles.
Un nouveau type révolutionnaire de détecteur de neutrinos, conçu en partie par des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), se trouve au cœur de l'expérience MicroBooNE au Fermi National Accelerator Laboratory du DOE (Fermilab). Dans deux nouveaux articles, la collaboration MicroBooNE décrit comment ils utilisent ce détecteur pour détecter les signes révélateurs des neutrinos. Les articles incluent des détails sur les algorithmes de traitement du signal qui sont essentiels pour reconstruire avec précision les interactions subtiles des neutrinos avec les atomes dans le détecteur.
Selon le physicien Xin Qian, chef du groupe de physique MicroBooNE de Brookhaven Lab, "Le travail résumé dans ces articles, qui incluent des comparaisons de données expérimentales récemment collectées avec des simulations de signaux de détecteur et de bruit, démontre une excellente compréhension des performances des détecteurs à résolution millimétrique de MicroBooNE. Cette compréhension fournit une base solide pour l'utilisation de cette technologie de détecteur pour des mesures de physique de précision non seulement dans MicroBooNE mais aussi dans de futures expériences, comme l'expérience Deep Underground Neutrino.
Détecteur dynamique
La pièce centrale du détecteur MicroBooNE est une chambre de projection temporelle d'argon liquide (LArTPC) - un réservoir de la taille d'un bus rempli d'argon (conservé le liquide à une température mordante de -303 degrés Fahrenheit) et doublé d'électronique conçue pour fonctionner dans cet environnement extrêmement froid . Cet ensemble agit comme une puissante caméra numérique 3D tomographique pour capturer les trajectoires des particules générées lorsque les neutrinos interagissent avec les atomes d'argon dans le réservoir.
Les neutrinos, qui se déclinent en trois "saveurs" (électron, muon, et tau), proviennent d'un accélérateur de protons du Laboratoire Fermi. La plupart du temps, ils naviguent à travers le détecteur. Mais occasionnellement, un neutrino frappe un noyau d'argon dans le LArTPC. Cette interaction produit un certain nombre d'autres particules, dont certains portent une charge électrique. Au fur et à mesure que ces particules chargées traversent le réservoir, ils s'ionisent, ou expulser des électrons, d'autres atomes d'argon sur leur chemin. Les électrons éjectés sont pris dans le puissant champ électrique entourant le réservoir et dérivent vers un réseau de fils soigneusement disposés dans trois plans orientés différemment à une extrémité - l'anode. L'électronique à l'intérieur du réservoir collecte et amplifie les signaux générés par les électrons frappant les fils et envoie ces signaux pour être enregistrés. En suivant la synchronisation et les emplacements de ces signaux, le détecteur peut construire des images des trajectoires des électrons pour révéler des informations sur l'énergie et la saveur du neutrino qui a déclenché chaque chaîne d'événements.
« Déployer le signal d'ionisation au niveau du plan d'anode est analogue au traitement d'un film photographique dans une pièce sombre, sauf qu'au lieu d'agents chimiques et de solutions, les physiciens appliquent des algorithmes de traitement du signal pour reconstruire l'image de l'interaction des neutrinos, " a déclaré Brooke Russell, un étudiant diplômé de l'Université de Yale actuellement en poste au Brookhaven Lab.
Traitement de signal
Mais tout comme il est important d'avoir une bonne chimie lors du traitement d'un film, Les scientifiques chargés du suivi des neutrinos sont confrontés à des défis dans le développement de leurs algorithmes.
Les dernières améliorations du traitement du signal MicroBooNE Time Projection Chamber (TPC) se traduisent par des pistes de particules 3D plus complètement reconstruites (en bas) que les techniques antérieures (en haut), qui a laissé des lacunes dans les images 3D (voir les zones encerclées de rouge pour comparaison). L'amélioration est cruciale pour distinguer les signaux d'interaction des neutrinos (entourés en vert) des signaux de fond générés par les rayons cosmiques interagissant avec le fluide dans le TPC. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Pour une chose, les courants induits par la dérive des électrons d'ionisation sont généralement de faible amplitude et peuvent être encore réduits si les électrons arrivent sur les fils sur une période de temps prolongée. En outre, la "forme d'onde" du courant produit par un ensemble d'électrons à la dérive pourrait être annulée par celle d'un autre ensemble d'électrons arrivant plus tard, comme les vagues océaniques qui s'aplatissent lorsque les crêtes hautes d'une vague s'alignent avec les points bas d'une autre. Cela rend particulièrement difficile la distinction entre les minuscules signaux et le "bruit" de fond, c'est-à-dire les distorsions électroniques générées par l'excès de charge stocké sur les fils utilisés pour transporter les signaux, les alimentations externes qui génèrent le champ électrique du détecteur, ou d'autres sources.
Garder une partie de l'électronique à l'intérieur de la chambre à argon liquide aide à minimiser le bruit en réduisant la distance que les signaux doivent parcourir avant d'être lus. Comme l'a noté Brian Kirby, associé de recherche postdoctoral au Brookhaven Lab, ces "électronique froide" à faible bruit, " conçu par la division Instrumentation de Brookhaven, sont une technologie cruciale pour les grands LArTPC. « Ils simplifient la conception des détecteurs et fournissent les performances de bruit électronique requises pour utiliser pleinement les signaux plans du fil d'induction, " il a dit.
Un deuxième défi est que les électrons à la dérive peuvent induire du courant sur une étendue de plusieurs fils à proximité, introduisant la possibilité que la forme d'onde produite par les électrons passant par un fil particulier puisse annuler celle produite par les électrons passant par un fil voisin. Ces annulations dépendent de la répartition des électrons d'ionisation, conduisant à des signaux très complexes.
Pour relever ce défi, la collaboration MicroBooNE a développé un nouvel algorithme pour extraire la distribution des électrons du courant induit mesuré sur les fils. Le fondement de l'algorithme est une technique mathématique appelée déconvolution, ce qui a grandement simplifié le "signal" en supprimant la réponse d'induction très complexe de la chambre à argon liquide, afin que les scientifiques puissent extraire l'emplacement et la distribution des électrons arrivant sur les plans de fil.
Cette déconvolution est réalisée en deux dimensions (2-D). Selon Hanyu Wei, associé de recherche postdoctoral à Brookhaven, le premier « D » est une analyse mathématique courante de la forme d'onde au fil du temps, et le second « D » prend en compte l'effet à longue portée des signaux d'induction sur plusieurs fils. En identifiant des « régions d'intérêt » spécifiques dans le signal, les scientifiques peuvent également atténuer l'amplification du bruit à basse fréquence de la technique de déconvolution.
MicroBooNE est le premier détecteur capable de faire correspondre le nombre d'électrons détectés sur les plans à trois fils d'un LArTPC.
"Comme les mêmes amas d'électrons dérivants sont détectés par chacun des plans de fil, vous vous attendriez à mesurer la même quantité de charge de chaque avion, " a déclaré Michael Mooney, un ancien associé de recherche postdoctoral de Brookhaven Lab qui est maintenant un nouveau membre du corps professoral à la Colorado State University. Mais en raison de la complexité des signaux dans les plans de fil d'induction, aucun détecteur LArTPC précédent n'a été capable de le faire.
"Notre démonstration basée sur les données que l'appariement local de la charge entre plans est réalisable dans un LArTPC ouvre la porte à de nouveaux types de techniques de reconstruction qui visent d'abord à créer une image 3D de l'interaction neutrino-argon - et pourrait grandement améliorer notre capacité déterminer précisément les propriétés du neutrino, " dit Mooney.
La chambre à projection temporelle MicroBooNE de la taille d'un bus scolaire. Crédit :Fermilab
Simulations vs données
L'équipe MicroBooNE a également développé des simulations considérablement améliorées des signaux TPC et du bruit attendus, en tenant compte de l'effet d'induction à longue portée susmentionné et de la position exacte de l'électron à la dérive dans une région de fil, et a utilisé ces nouvelles simulations pour évaluer quantitativement leur algorithme de traitement du signal. La comparaison des simulations avec les résultats extraits de données réelles a produit des résultats cohérents, ce qui est une étape cruciale vers l'utilisation du détecteur pour les études de physique.
"La cohérence entre la nouvelle simulation et les données nous donne l'assurance que nous comprenons notre détecteur au niveau fondamental, ce qui est essentiel pour les prochaines analyses de physique dans MicroBooNE, " a déclaré Chao Zhang, physicien du Brookhaven Lab.
Le physicien de Brookhaven Lab, Brett Viren, a noté, « La capacité de fournir une simulation plus précise du bruit et des signaux des fils LArTPC nous permet de valider les techniques de reconstruction et d'évaluer quantitativement leur efficacité. Ces améliorations faciliteront également l'utilisation de ces simulations et des techniques modernes d'apprentissage automatique, qui doivent comporter des ensembles de formation qui imiter fidèlement la réalité - pour améliorer la précision du détecteur LArTPC."
L'équipe a développé un logiciel à la fois pour l'algorithme de traitement du signal et les simulations améliorées de signal et de bruit dans un « Wire-Cell Toolkit ». Ce progiciel peut fonctionner sur des architectures informatiques conventionnelles d'unité centrale (CPU) et pourrait également être configuré pour les architectures hautement parallèles des systèmes de calcul haute performance (HPC).
« Toutes ces réalisations en traitement du signal, simulation, et la comparaison des données et de la simulation nous rapprochent de la réalisation du plein potentiel de la technologie des détecteurs LArTPC, " a déclaré Qian de Brookhaven. " Nous attendons maintenant avec impatience les résultats passionnants qui proviendront de MicroBooNE.
"En outre, les avancées de MicroBooNE jettent les bases des techniques de détection et de traitement du signal qui seront utilisées avec de plus grands détecteurs LArTPC, y compris ceux en cours de développement pour DUNE, qui devrait être mis en ligne au milieu des années 2020."
Pour DUNE, L'installation Long-Baseline Neutrino du Fermilab projettera un faisceau de neutrinos à travers la Terre depuis l'Illinois jusqu'à une ancienne mine d'or en profondeur dans le Dakota du Sud. Jusqu'à quatre détecteurs dans la caverne s'appuieront sur la capacité de MicroBoone de la taille d'un bus à suivre les particules avec une grande précision en ayant des réservoirs colossaux chacun avec 100 fois le volume capable de déterminer la position des particules à quelques millimètres près.
"Les détecteurs LArTPC sont la seule technologie qui peut atteindre cette précision à cette grande échelle. C'est ce qui les rend vraiment révolutionnaires, " dit Qian.
