ArgonCube 合作为瑞士伯尔尼大学的深地下中微子实验（DUNE） 近探测器组装了四个原型中微子探测器模块中的第一个。该模块现在正在前往费米实验室进行中微子束测试。照片：伊戈尔·克雷斯洛
简而言之，这就是由美国能源部费米国家加速器实验室主持的国际深地下中微子实验在本十年晚些时候启动时，近探测器和远探测器将看到的差异。但是，DUNE 将通过多个探测器发送粒子束，而不是手电筒发出的光，以解决粒子物理学中的重大谜团——包括宇宙为何以这种方式演化。
实验的核心是被称为中微子的难以捉摸的粒子，科学家们将使用伊利诺伊州费米实验室和南达科他州桑福德地下研究设施 (SURF) 的地下探测器对其进行研究。距离光束源 800 英里(1,300 公里)的远探测器每收集四个小时的数据就会探测到大约一个中微子——我们比喻中的昏暗光线。距离光束源约 2,000 英尺(600 米)的近探测器将受到中微子的轰击，每秒捕获大约 12 个中微子。
在过去的六年中，来自 31 个机构的100 多位科学家和工程师的国际合作一直在研究ArgonCube，这是一种新型探测器，将确保近探测器能够成功地在没有“眩光”的情况下清楚地看到所有中微子相互作用来自重叠信号。一个原型现在正从瑞士伯尔尼大学运送到费米实验室，用实验室的中微子束进行测试。
“有很多人参与其中，包括很多学生和博士后，”伯尔尼研究近距探测器团队的负责人 Michele Weber 说。“我们都对创造新事物感到非常兴奋。”
创造新事物
中微子分为三种，称为味。但是由于自然界中的一些被称为振荡的量子诡计，它们在旅行时会改变味道。DUNE 的远近探测器将记录从费米实验室到 SURF 的旅程开始和结束时构成光束的味道。观察中微子在它们的旅程中如何变化将为科学家提供关于物质的基本组成部分以及宇宙是如何开始的线索。
两项主要创新将帮助 ArgonCube 整理大量中微子数据。第一个是像素化电荷读出，它为数据收集增加了第三个维度。目前最先进的探测器，如 ProtoDUNE，一个巨大的 DUNE 远探测器测试平台，使用电线进行电荷收集。虽然功能强大，但这些系统仅通过叠加多个 2D 图像来创建粒子相互作用的 3D 视图。在近探测器中一连串混乱和重叠的粒子相互作用中，ArgonCube 提供的额外空间维度将使科学家更容易区分近乎同时发生的中微子事件。每个 ArgonCube 原型模块大约有 80,000 个像素。
另一个帮助科学家区分近探测器中多个中微子相互作用的 ArgonCube 功能是模块化。最终的探测器将由 35 个独立的 ArgonCube 模块组成，这些模块共享一个低温氩浴。
“拥有多个搜索量有助于我们分别查看每个单独的交互，”Weber 说。尽管名称如此，ArgonCube 模块实际上是矩形的。目前前往费米实验室的原型机高近 6 英尺，底座为 2.5 x 2.5 英尺(1.8 米高，底座约四分之三平方米)。近探测器的最终模块将高约两倍，体积增加约 5 倍。
四个 ArgonCube 原型模块将使用 NuMI 中微子束进行测试，由费米实验室的主喷射器加速器提供动力。每个模块近 6 英尺高。DUNE 近探测器将配备 35 个模块，每个模块的体积是原型模块的五倍。插图：Gary Smith，费米实验室
模块化设置意味着中微子相互作用产生的电荷和光不需要走那么远就能到达记录它们的电子设备。因此，电场电压不必那么高来吸引这些粒子。这减少了对高压电源的需求，并使探测器的操作更容易、更安全。
ArgonCube 还包括一个改进的光检测系统，对于重建粒子相互作用的时间很重要。它还具有一种新的、更紧凑的产生内部电场的方式。
建筑模块
今年早些时候，研究人员在伯尔尼测试了第一个完整的 ArgonCube 原型模块。原型模块成功地从宇宙射线μ子(地球大气中产生的高能粒子)中获取了粒子轨迹。确认基本功能后，该团队使用宇宙射线来检查探测器的电荷和光探测系统是否协同工作以捕获 3D 粒子轨迹。
同一个模块及其随附的低温系统，现在正在用卡车和船运到费米实验室进行下一阶段的测试。这将是第一个到达费米实验室的大型 DUNE 原型模块。第二个模块将在初秋推出，然后在 2021 年底再推出两个模块。
Fermilab 团队计划首先在液态氩测试设施并排地测试两个 ArgonCube 模块。在那里，他们将检查低温系统并进行与连接模块和组合信号相关的初步故障排除。然后，团队需要确定如何最好地串联安装和操作模块。下一步是将所有四个模块带到地下 300 英尺(100 米)处，前往翻新的 MINOS 大厅，使用由费米实验室的主喷射器加速器提供动力的中微子束(称为 NuMI 束线)进行测试。
“从一个模块到两个，从两个到四个是一个很大的变化，”担任原型安装和测试项目经理的费米实验室科学家 Ting Miao 说。“在我们进行地下工作之前，我们希望充实操作和安装的所有细节。”
NuMI 光束将模拟 DUNE 附近探测器将看到的中微子的强烈冲击，并确保探测器可以解开重叠信号。从明年开始，这些测试将着眼于检测过程的各个方面——包括光束定时、事件选择和数据处理。结果将确认模块化方法是否有效。他们将帮助 ArgonCube 团队准备分析来自 35 个全尺寸模块的数据，这些模块将进入最终的DUNE 探测器附近。
尽管 ArgonCube 技术实现其 DUNE 目标还需要几年的时间，但自从 2014 年在伯尔尼的一个咖啡时光中首次勾勒出下一代模块化中微子探测器的想法以来，它已经取得了显着的进步。
“最令人惊奇的是看到这个探测器的旅程，从黑板和纸片上的第一个想法到记录粒子事件，”韦伯说。
费米实验室主办的国际深层地下中微子实验得到了美国能源部科学办公室的支持。
费米实验室得到美国能源部科学办公室的支持。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。如需更多信息，请访问science.energy.gov。
