Bien avant que l'expérience Deep Underground Neutrino ne prenne ses premières mesures dans le but d'élargir notre compréhension de l'univers, un prototype pour l'un des détecteurs de l'expérience ouvre de nouvelles voies dans la technologie de détection des neutrinos.
DUNE, actuellement en construction, sera une expérience massive qui s'étendra sur plus de 800 milles. Un faisceau de neutrinos provenant du Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'énergie passera par un détecteur de particules situé sur le site du Fermilab, puis traversera le sol jusqu'à un énorme détecteur du centre de recherche souterrain de Sanford dans le Dakota du Sud.
Le détecteur proche est constitué d'un ensemble de systèmes de détection de particules. L’un d’eux, connu sous le nom de ND-LAr, comportera une chambre de projection temporelle à argon liquide pour enregistrer les traces de particules; il sera placé dans un récipient rempli d'argon liquide. Lorsqu’un neutrino entre en collision avec l’une des particules qui composent les atomes d’argon, la collision génère davantage de particules. Lorsque chaque particule créée lors de la collision sort du noyau, elle interagit avec les atomes proches, leur arrachant certains de leurs électrons, conduisant à la production de signaux détectables sous forme de lumière et de charge.
ND-LAr est optimisé pour voir ces deux types de signaux. Les scientifiques de DUNE ont choisi l'argon liquide pour l'un des systèmes de détection proche afin de pouvoir effectuer des comparaisons directes et individuelles lors de l'analyse des résultats du ND-LAr et du détecteur lointain, qui s'appuie également sur l'argon liquide pour la détection des particules.
Le prototype du ND-LAr doit son nom, le prototype 2×2, au fait que ses quatre modules sont disposés en carré. La version finale de ND-LAr comportera 35 modules, chacun légèrement plus grand que ceux utilisés pour le prototype. Bientôt, le prototype 2×2 sera installé sous terre sur le trajet du faisceau de neutrinos NuMI du Laboratoire Fermi pour des tests.
"Nous allons mettre cela dans ce qui est actuellement le faisceau de neutrinos le plus intense au monde", a déclaré Juan Pedro Ochoa-Ricoux, professeur à l'Université de Californie à Irvine, qui codirige l'effort d'analyse des données pour le 2×2. prototype. "Nous allons pouvoir tester notre prototype dans des circonstances réalistes."
Le prototype 2×2, et éventuellement le ND-LAr lui-même, détecteront le faisceau de neutrinos près de son point le plus intense.
Lorsqu’un faisceau de protons provenant d’un accélérateur entre en collision avec une cible, il crée un jet d’autres particules chargées qui se désintègrent rapidement en d’autres particules, notamment des neutrinos. Le faisceau de particules chargées utilisé pour générer les neutrinos est étroitement focalisé, mais lorsque ce faisceau de neutrinos est créé, ils ne peuvent plus être guidés ou focalisés car ils n'ont aucune charge. Au fur et à mesure que le faisceau voyage dans l'espace, les neutrinos se propagent et le faisceau devient moins dense.
"C'est un peu comme une lampe de poche :lorsque vous pointez une lampe de poche sur un mur, si vous êtes près du mur, vous voyez un petit cercle, mais si vous vous éloignez du mur, le cercle devient de plus en plus grand. ", a déclaré Ochoa-Ricoux.
Étant donné que le détecteur proche sera proche de la source du faisceau de neutrinos, il captera plus d'interactions de neutrinos dans un espace plus petit que le détecteur lointain. Ce puissant afflux de neutrinos présente certains défis pour enregistrer efficacement les interactions des neutrinos dans ND-LAr. Alors que le détecteur éloigné ne détectera qu'un seul neutrino à la fois, le détecteur proche verra beaucoup plus de neutrinos interagir.
"Toutes ces interactions se produisent pratiquement en même temps", a déclaré Ochoa-Ricoux. "Nous devons être capables de démêler toutes ces interactions."
Heureusement, des chercheurs de l'Université de Berne et du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE ont travaillé sur de nouvelles conceptions et technologies pour un détecteur à argon liquide plus adapté à cette haute densité de neutrinos.
L'équipe de l'Université de Berne a développé une nouvelle conception de détecteurs de neutrinos à argon liquide. Au lieu d'un seul grand volume d'argon liquide, cette conception divise le détecteur en modules.
La nouvelle conception permet non seulement de réduire la distance permettant aux électrons dépouillés de dériver vers la surface de détection, mais permet également de mieux comprendre où se produisent les interactions des neutrinos. Rendre les modules plus petits montre la lumière produite lors d'une interaction neutrino dans une unité particulière, réduisant ainsi son emplacement.
Une conception modulaire signifie également que moins d'interactions ont lieu dans chaque module. En conséquence, il est plus facile de coupler la détection de la lumière et des particules chargées pour comprendre l’interaction des neutrinos. Ce type de détecteur peut gérer plus efficacement de nombreuses interactions se produisant en peu de temps.
Ces deux conséquences d'un détecteur divisé le rendent idéal pour le ND-LAr, car cette conception permet d'obtenir une image tridimensionnelle plus précise de l'endroit où une interaction neutrino s'est produite, a déclaré Michele Weber, professeur à l'Université de Berne travaillant sur le prototype de détecteur. concevoir et diriger l'effort ND-LAr.
"C'est formidable de voir un concept développé dans notre université trouver une application dans DUNE grâce à une collaboration avec Fermilab", a déclaré Weber. "L'un des défis que nous avons dû relever afin de savoir quel signal appartient à quelle interaction consiste à améliorer la vue 3D de chaque interaction."
Pendant ce temps, au laboratoire de Berkeley, une autre équipe a créé un nouveau type de système de lecture de signaux capable de traiter la quantité massive de données attendue dans le détecteur de proximité.
Traditionnellement, les chambres de projection temporelle à argon liquide, ou LArTPC, utilisaient une série de fils superposés sur le côté du détecteur pour capter le signal des électrons dépouillés qui sont libérés lors d'une interaction entre un neutrino et l'argon. La combinaison des signaux collectés par les couches de fils, qui fournissent une série de projections bidimensionnelles, fournit suffisamment d'informations pour reconstruire une image tridimensionnelle de l'interaction.
Cependant, lorsqu'il y a beaucoup d'interactions neutrino-argon dans le détecteur (un phénomène appelé empilement de neutrinos), ce système de lecture ne fournit pas une image aussi claire, a déclaré Brooke Russell, membre de Chamberlain au Berkeley Lab travaillant sur le 2×. 2 prototypes.
Au lieu de cela, le système de lecture développé au Berkeley Lab utilise une lecture entièrement pixellisée, ce qui signifie que chaque canal physique du détecteur correspond à un canal de lecture numérique. L'utilisation de ce réseau de pixels montre directement l'emplacement tridimensionnel de l'interaction et peut résoudre toutes les nombreuses interactions de neutrinos se produisant presque simultanément.
"Cela a des implications majeures sur les types de signaux que nous construisons et sur l'intensité de l'activité à laquelle nous pouvons être tolérants", a déclaré Russell. "Avec le détecteur proche DUNE, pour la première fois, nous sommes dans un régime où nous avons un empilement de neutrinos. Une telle lecture est absolument nécessaire afin de reconstruire les événements de neutrinos."
Les modules du prototype ont été construits et testés à l'Université de Berne, puis expédiés au Laboratoire Fermi et testés à nouveau avant leur installation. Les préparatifs sont en cours pour l'installation du prototype d'ici la fin de l'année afin de tester la détection des neutrinos lorsque le faisceau NuMI se rallumera cet hiver.
L'équipe d'installation de l'expérience placera le prototype de détecteur dans un conteneur refroidi par cryogénie et le prendra en sandwich entre deux pièces de détecteur réutilisées provenant de l'expérience de neutrinos MINERvA retirée du Laboratoire Fermi. MINERvA a mesuré les interactions des neutrinos de 2010 à 2019.
Comme le détecteur prototype ND-LAr n'est pas très grand, il ne peut pas mesurer le trajet complet de certaines particules créées lorsque les neutrinos interagissent avec l'argon. Des exemples notables sont les muons, qui parcourent généralement de longues distances avant de s’arrêter. C'est là que les anciens composants du détecteur MINERvA entrent en jeu. En utilisant ces composants pour suivre les muons sortant du détecteur prototype, les scientifiques peuvent distinguer les muons des pions chargés, un autre type de particule subatomique.
Placer le prototype entre les segments MINERvA permet également d'identifier les muons qui traversent mais ne proviennent pas du détecteur, les distinguant des muons provenant de l'intérieur du détecteur en tant que produit d'interactions de neutrinos.
"Nous pouvons utiliser les avions MINERvA pour nous aider à suivre les neutrinos qui ont interagi dans la roche en amont du détecteur et ont produit des muons qui sont entrés dans le détecteur", a déclaré Jen Raaf, directrice de la division Neutrino du Laboratoire Fermi qui coordonne le projet de prototype 2×2. . "Nous allons pouvoir relier les traces pour identifier celles [qui ne proviennent pas du détecteur] et nous en débarrasser, car ce n'est pas ce qui nous intéresse."
Les avions MINERvA permettent également aux scientifiques de suivre les particules créées lors des interactions neutrinos dans le LArTPC, mais qui sortent du volume d'argon avant de s'arrêter. "MINERvA nous permettra de suivre ces particules sortantes et de mesurer leur énergie", a déclaré Raaf, "afin que nous puissions obtenir une estimation précise de l'énergie du neutrino lorsqu'il a interagi dans le LArTPC."
Lorsque le prototype 2×2 sera testé dans le faisceau de neutrinos, non seulement cela garantira son bon fonctionnement, mais les chercheurs pourront également réaliser des expériences de physique des neutrinos, a déclaré Ochoa-Ricoux.
Même si l'expérience DUNE à part entière ne commencera pas à fonctionner avant plusieurs années", a-t-il déclaré, "nous allons déjà produire des résultats de physique importants avec ce prototype."
Certaines de ces expériences pré-DUNE dans le prototype 2×2 incluent l'étude des réactions entre les neutrinos et l'argon, et la mesure des sections efficaces, ou de la probabilité d'interactions de particules.
Entre la conception modulaire et la lecture des pixels, le ND-LAr sera unique parmi les détecteurs de neutrinos à argon liquide. Cela signifie que la construction et le test d’un prototype sont essentiels pour garantir que la conception innovante fonctionne comme prévu. À mesure qu'une nouvelle technologie est construite, les scientifiques doivent tester chaque étape de la construction pour démontrer ses capacités, a déclaré Weber.
"ND-LAr a une conception atypique", a déclaré Russell. "Nous voulons valider que certains des principes de conception qui, selon nous, fonctionneront, fonctionneront réellement."
Il est également important qu'un prototype soit construit suffisamment grand pour garantir que l'équipement final puisse être construit et installé, a déclaré Raaf.
"Faire quelque chose à plus petite échelle, mais suffisamment grand pour pouvoir identifier les difficultés de construction et d'assemblage, est une étape très importante de toutes les expériences de physique des particules", a-t-elle déclaré. "Vous voulez quelque chose d'assez grand pour expérimenter les différentes choses que vous devez faire, comme utiliser une grue pour le soulever et pouvoir le déplacer d'une certaine manière."
La collaboration DUNE est organisée en consortiums qui se concentrent sur différents aspects du projet. Le développement du prototype 2×2 fait partie du consortium ND-LAr, dont l'Université de Berne et le Berkeley Lab ne sont que deux parmi des dizaines d'institutions.
"Tous ces gens participent à ce prototype à un certain niveau, pour s'assurer que ce qu'ils ont envisagé pour le modèle grandeur nature fonctionne réellement à plus petite échelle et que nous n'avons pas besoin de modifier quoi que ce soit", a déclaré Raaf. "Peut-être que nous le ferons, ce qui est bien, c'est pourquoi nous faisons des prototypes. Nous nous réunissons chaque semaine et discutons de comment ça se passe ? Que devons-nous faire ensuite ? Qu'est-ce qui s'est bien passé ? Que pouvons-nous améliorer ?"
Pour une tâche aussi importante, la collaboration entre plusieurs institutions est nécessaire, a déclaré Weber, qui dirige le consortium ND-LAr. Entre le faisceau de neutrinos du Laboratoire Fermi, le concept de détecteur modulaire de l'Université de Berne, la technologie de lecture du Berkeley Lab et le traitement et l'analyse des données effectués dans de nombreuses institutions, chaque collaborateur du Consortium ND-LAr apporte ses capacités uniques à ce projet.
"Ces efforts sont trop importants pour une seule institution", a déclaré Weber. "Vous parlez à différentes personnes et vous partagez la charge. C'est un défi de travailler avec beaucoup de gens, mais c'est le seul moyen, et c'est agréable de voir différentes idées se réunir avec succès."
Fourni par le Laboratoire national des accélérateurs Fermi
