Comment repérer un neutrino subatomique dans une "meule de foin" de particules provenant de l'espace ? C'est la perspective intimidante à laquelle sont confrontés les physiciens qui étudient les neutrinos avec des détecteurs près de la surface de la Terre. Avec peu ou pas de blindage dans de tels endroits non souterrains, détecteurs de neutrinos de surface, généralement à la recherche de neutrinos produits par les accélérateurs de particules, sont bombardés par des rayons cosmiques – des pluies incessantes de particules subatomiques et nucléaires produites dans l'atmosphère terrestre par des interactions avec des particules provenant d'emplacements cosmiques plus éloignés. Ces voyageurs abondants, principalement des muons, créer un réseau de traces de particules entrecroisées qui peuvent facilement masquer un événement neutrino rare.

Heureusement, les physiciens ont développé des outils pour atténuer le « bruit » cosmique.

Une équipe comprenant des physiciens du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie décrit l'approche dans deux articles récemment acceptés pour être publiés dans Examen physique appliqué et le Journal de l'instrumentation (JINST) . Ces articles démontrent la capacité des scientifiques à extraire des signaux de neutrinos clairs du détecteur MicroBooNE du Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du DOE. La méthode combine une reconstruction d'image de type scanner CT avec des techniques de tamisage de données qui font ressortir les signaux de neutrinos produits par l'accélérateur de 5 à 1 par rapport au fond des rayons cosmiques.

"Nous avons développé un ensemble d'algorithmes qui réduisent le bruit de fond des rayons cosmiques d'un facteur 100, 000, " dit Chao Zhang, l'un des physiciens du Brookhaven Lab qui a aidé à développer les techniques de filtrage des données. Sans le filtrage, MicroBooNE en verrait 20, 000 rayons cosmiques pour chaque interaction de neutrinos, il a dit. "Cet article démontre la capacité cruciale d'éliminer les arrière-plans des rayons cosmiques."

Bonnie Fleming, professeur à l'Université de Yale et co-porte-parole de MicroBooNE, mentionné, « Ce travail est critique à la fois pour MicroBooNE et pour le futur programme de recherche américain sur les neutrinos. Son impact s'étendra notamment au-delà de l'utilisation de cette technique d'analyse « Wire-Cell », même sur MicroBooNE, où d'autres paradigmes de reconstruction ont adopté ces méthodes de tri de données pour réduire considérablement les arrière-plans des rayons cosmiques."

Suivi des neutrinos

MicroBooNE est l'un des trois détecteurs qui forment le programme international Short-Baseline Neutrino au Fermilab, chacun situé à une distance différente d'un accélérateur de particules qui génère un faisceau de neutrinos soigneusement contrôlé. Les trois détecteurs sont conçus pour compter différents types de neutrinos à des distances croissantes afin de rechercher des écarts par rapport à ce qui est attendu en fonction du mélange de neutrinos dans le faisceau et de ce que l'on sait de l'« oscillation » des neutrinos. L'oscillation est un processus par lequel les neutrinos échangent des identités entre trois types connus, ou "saveurs". La détection de divergences dans le nombre de neutrinos pourrait indiquer un nouveau mécanisme d'oscillation inconnu et peut-être une quatrième variété de neutrinos.

Les scientifiques de Brookhaven Lab ont joué un rôle majeur dans la conception du détecteur MicroBooNE, en particulier l'électronique sensible qui fonctionne dans la chambre de projection temporelle super-froide remplie d'argon liquide du détecteur. Lorsque les neutrinos de l'accélérateur du Laboratoire Fermi pénètrent dans la chambre, de temps en temps, un neutrino interagit avec un atome d'argon, expulsant certaines particules de son noyau - un proton ou un neutron - et générant d'autres particules (muons, pions) et un éclair de lumière. Les particules chargées qui sont expulsées ionisent les atomes d'argon dans le détecteur, renversant certains de leurs électrons hors de l'orbite. Les électrons qui se forment le long de ces pistes d'ionisation sont captés par l'électronique sensible du détecteur.

"Toute la traînée d'électrons dérive le long d'un champ électrique et traverse trois plans consécutifs de fils avec des orientations différentes à une extrémité du détecteur, " dit Zhang. " Alors que les électrons s'approchent des fils, ils induisent un signal, de sorte que chaque jeu de fils crée une image 2D de la piste sous un angle différent."

Pendant ce temps, les éclairs de lumière créés au moment de l'interaction des neutrinos sont captés par des tubes photomultiplicateurs situés au-delà des réseaux de fils. Ces signaux lumineux indiquent aux scientifiques quand l'interaction des neutrinos a eu lieu, et combien de temps il a fallu aux pistes pour arriver aux avions filaires.

Les ordinateurs traduisent cette synchronisation en distance et reconstituent les images de piste 2D pour reconstruire une image 3D de l'interaction des neutrinos dans le détecteur. La forme de la piste indique aux scientifiques quelle saveur de neutrino a déclenché l'interaction.

"Cette reconstruction d'image 3D "Wire-Cell" est similaire à l'imagerie médicale avec un scanner de tomodensitométrie (TDM), " expliqua Zhang. Dans un scanner, des capteurs capturent des instantanés des structures internes du corps sous différents angles et les ordinateurs reconstituent les images. "Imaginez les traces de particules traversant les plans à trois fils comme une personne entrant dans le scanner, " il a dit.

Démêler la toile cosmique

Cela semble presque simple, si vous oubliez les milliers de rayons cosmiques qui traversent le détecteur en même temps. Leurs traînées d'ionisation dérivent également à travers les fils de balayage, créer des images qui ressemblent à une toile enchevêtrée. C'est pourquoi les scientifiques de MicroBooNE ont travaillé sur des "déclencheurs" et des algorithmes sophistiqués pour passer au crible les données afin qu'ils puissent extraire les signaux de neutrinos.

D'ici 2017, ils avaient fait des progrès substantiels en réduisant le bruit des rayons cosmiques. Mais même alors, les rayons cosmiques étaient plus nombreux que les traces de neutrinos d'environ 200 à 1. Les nouveaux articles décrivent d'autres techniques pour réduire ce rapport, et retournez-le au point où les signaux de neutrinos dans MicroBooNE ressortent maintenant 5 à 1 par rapport au fond de rayon cosmique.

La première étape consiste à faire correspondre les signaux révélés par les particules générées dans les interactions de neutrinos avec les éclairs de lumière exacts captés par les tubes photomultiplicateurs à partir de cette interaction.

"Ce n'est pas facile!" a déclaré Xin Qian, physicien du Brookhaven Lab. "Parce que la chambre de projection temporelle et les tubes photomultiplicateurs sont deux systèmes différents, on ne sait pas quel flash correspond à quel événement dans le détecteur. Nous devons comparer les motifs lumineux de chaque tube photomultiplicateur avec tous les emplacements de ces particules. Si vous avez fait toutes les correspondances correctement, vous trouverez un seul objet 3D qui correspond à un seul éclair de lumière mesuré par les tubes photomultiplicateurs."

Brooke Russell, qui a travaillé sur l'analyse en tant qu'étudiant diplômé de Yale et est maintenant stagiaire postdoctoral au Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE, fait écho à ces commentaires sur le défi de l'appariement de la lumière. "Etant donné que l'information de charge n'est dans certains cas pas totalement complémentaire à l'information lumineuse, il peut y avoir des ambiguïtés dans les appariements de charge-lumière sur une base de lecture unique. Les algorithmes développés par l'équipe permettent de rendre compte de ces nuances, " elle a dit.

Toujours, les scientifiques doivent ensuite comparer le timing de chaque piste avec le temps d'émission des neutrinos de l'accélérateur (un facteur qu'ils connaissent car ils contrôlent le faisceau de l'accélérateur). « Si le timing est cohérent, alors c'est une possible interaction de neutrinos, " dit Qian.

L'algorithme développé par l'équipe de Brookhaven ramène le rapport à un neutrino pour six événements de rayons cosmiques.

Rejeter des rayons cosmiques supplémentaires devient un peu plus facile avec un algorithme qui élimine les pistes qui traversent complètement le détecteur.

"La plupart des rayons cosmiques traversent le détecteur de haut en bas ou d'un côté à l'autre, " dit Xiangpan Ji, un postdoc Brookhaven Lab travaillant sur cet algorithme. "Si vous pouvez identifier le point d'entrée et de sortie de la piste, vous savez que c'est un rayon cosmique. Les particules formées par les interactions de neutrinos doivent commencer au milieu du détecteur où cette interaction a lieu."

Cela porte le rapport des interactions des neutrinos aux rayons cosmiques à 1:1.

Un algorithme supplémentaire élimine les événements qui commencent à l'extérieur du détecteur et s'arrêtent quelque part au milieu, qui ressemblent à des événements de neutrinos mais se déplacent dans la direction opposée. Et une dernière étape de réglage fin exclut les événements où les flashs lumineux ne correspondent pas bien aux événements, porter la détection des événements neutrinos au niveau remarquable de 5 à 1 par rapport aux rayons cosmiques.

"C'est l'une des analyses les plus difficiles sur lesquelles j'ai travaillé, " dit Hanyu Wei, le boursier postdoctoral Brookhaven Lab qui dirige l'effort d'analyse. "La chambre à projection temporelle à argon liquide est une nouvelle technologie de détection avec de nombreuses fonctionnalités surprenantes. Nous avons dû inventer de nombreuses méthodes originales. C'était vraiment un travail d'équipe."

Zhang a fait écho à ce sentiment et a déclaré :"Nous nous attendons à ce que ce travail augmente considérablement le potentiel de l'expérience MicroBooNE pour explorer la physique intrigante à des lignes de base courtes. En effet, nous sommes impatients de mettre en œuvre ces techniques dans des expériences sur les trois détecteurs de neutrinos à base courte pour voir ce que nous apprenons sur les oscillations des neutrinos et l'existence possible d'un quatrième type de neutrinos. »