科学家计划“射穿”直径12756公里的地球,揭示中微子振荡!

来源:admin日期:2020/12/17 浏览:145

基于位于欧洲核子研究中心中微子平台ProtoDUNE单相探测器收集的数据,研究结果表明,该探测器的效率超过99%,不仅是目前最大的,也是目前性能最好的液氩时间投影室。科学家们现在正在利用其发现来完善实验技术,并为在长基线中微子设施(Long-Baseline中微子设施)建设国际深地下中微子实验做准备。长基线中微子设施是由美国能源部费米实验室(Fermilab)主持的下一代中微子实验项目。

曼彻斯特大学教授、DUNE发言人斯特凡·索尔德纳-雷姆博尔德说:第一批研究结果对我们来说是个好消息,表明ProtoDUNE-SP探测器的工作比预期还要好。现在我们已经准备好建造DUNE探测器的第一批部件,它的探测器模块将基于这个原型,但体积要大20倍。DUNE是一项雄心勃勃的国际实验,将测量中微子的微小基本粒子性质。中微子是宇宙中最丰富的物质粒子之一,但因为它们很少与其他粒子相互作用,所以研究它们非常困难。

DUNE探测器

至少有三种不同类型的中微子,每秒有650亿个中微子穿过地球,当中微子旅行时,它们会做一些奇怪的事情:它们会从一种类型变成另一种类型。科学家们认为,这些中微子振荡(以及涉及反物质中微子的振荡)可能有助于回答物理学中的一些大问题,比如观测到的宇宙中物质-反物质的不对称性。DUNE还将寻找来自超新星的中微子,并寻找罕见的亚原子过程,如质子衰变。欧洲核子研究中心(CERN)中微子平台协调员Marzio Nessi说:

ProtoDUNE-SP表明,我们可以将这种类型的技术,放大到我们最终将中微子放入非常强大显微镜下所需的大小和分辨率。精确测量这些振荡将约束甚至排除一些理论模型,并为发现和探索罕见的亚原子现象开辟新途径。但为了获得这些精确的测量结果,科学家们需要非常大、灵敏和可靠的探测器。能源部布鲁克海文国家实验室的科学家、DUNE物理协调员伊丽莎白·伍斯特说:ProtoDUNE的结果表明,我们已经设计了一种探测器,可以在DUNE上实现科学目标。

射穿12756公里的地球

DUNE的设计目的是通过从芝加哥附近的费米实验室发射一束中微子,穿过直径12756公里的地球,进入南达科他州桑福德地下研究设施1.5公里深的四个巨大地下探测器模块,从而揭示中微子振荡的本质。欧洲核子研究中心的两个ProtoDUNE探测器(一个基于单相,另一个基于双相液氩技术)朝着建造巨大的DUNE探测器模块迈出了一步,每个模块装满了1.7万吨液氩。在欧洲核子研究中心,来自全球各地的DUNE合作研究科学家使用宇宙射线和一束800GeV的测试束来评估ProtoDUNE-SP探测器。

欧洲核子研究中心(CERN)SPS加速器的测试束穿过两个不同的目标,产生电子束、质子和其他类型的粒子束。位于ProtoDUNE外面的粒子探测器在这些测试束粒子进入ProtoDUNE-SP之前测量它们的能量和特性。在探测器内部,800吨透明的液态氩内部悬挂着穿插着光子探测器的精致导线。当一个经过的粒子与氩相互作用时,它会击打被高压电场吸引几米以上的电子,这些电子被吸引到靠近探测器墙壁的导线平面上。

研究中微子振荡

根据电线上的信号,科学家们创建了粒子轨迹的三维图像,并可以确定其能量和身份。通过将来自ProtoDUNE-SP内部的这些信息与原始测试束粒子的已知属性进行比较,能够精确校准仪器并优化复杂的重建软件。就像一张照片的质量因摄影师的相机和编辑软件质量而有很大不同一样,物理数据的质量也只有探测器及其重建工具的质量那么好。从事ProtoDUNE-SP研究的科学家从过去的中微子实验中吸取了教训,并取得了以前不可能达到的性能水平。

所有探测器数据都包含称为噪声的微小变化,有时很难与粒子产生的信号区分开来。这是所有物理实验中普遍存在的问题,科学家们也在不断思考通过增加信号强度和降低噪声量相结合来提高数据质量的创新方法。在新研究成果中,科学家们展示了如何能够达到50:1的信噪比,这在以前的液氩时间投影室中是不可能实现的。同时还评估了探测器的可靠性,发现其15360个探测器通道中超过99%的通道正常工作。

博科园|研究/来自:费米国家加速器实验室

参考期刊《Journal of Instrumentation》

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