经过多年研发的模块化中微子探测器

美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员与来自世界各地的合作者一起建造了一个原型中微子探测器，该探测器目前已在费米国家加速器实验室(Fermilab)捕捉到其首次中微子相互作用。

该原型探测器将在未来几年内帮助微调由费米实验室领导的国际深层地下中微子实验(DUNE)的全尺寸版本的DUNE近探测器液氩(ND-LAr)探测器，同时帮助阐明一些特定的中微子特性。

研究人员还将使用该探测器测试SLAC开发的先进机器学习技术，预计这些技术将在处理DUNE产生的大量数据中发挥关键作用。

科学家还将利用原型机的数据来研究电子中微子，这是已知的三种中微子类型之一。费米实验室中微子束产生的中微子几乎都是μ子中微子，但大约千分之一的中微子是电子中微子。

“DUNE需要通过计算两种相互作用来测量μ子中微子与电子中微子的振荡，”Sinclair说道。“我们知道电子中微子的相互作用概率与μ子中微子不同。2x2将使我们能够研究和验证新探测器识别和研究电子中微子相互作用的能力。”

四个坚固的盒子构成了一个新型探测器

田中说，尽管模块系统看似简单，但它面临着实际挑战。它为探测中微子增加了更多的东西。设计一个轻便、坚固且能承受液态氩极低温度的系统的任务落到了SLAC机械工程师KnutSkarpaasVIII和他的同事身上。

斯卡帕斯与伯尔尼大学和伯克利实验室的合作者一起研究了TPC模块的许多组件。当斯卡帕斯第一次听说原型探测器时，他走到黑板前，画出了一个可能的设计。许多年后，这个探测器看起来几乎和最初的图纸一模一样。

完成设计后，斯卡帕斯和团队专注于建造原型的静电场笼，即装有探测器所有电子元件和液态氩的盒子。这个笼子定义了原型的体积，所有东西都必须装进这个体积里。

此外，研究团队还必须将高压阴极(引导电离电子向阳极)挤入笼子，且不得接触任何其他金属部件。如果金属接触阴极，则可能产生电弧，危及探测器设备。

建造过程中最困难的部分可能是选择合适的电源线。电源线将电力输送到高压阴极并使整个探测器工作，它必须是直的，不能接触任何其他部件，并且由于探测器内部温度较低，必须能够收缩多达两英寸。如果电缆在这种低温下弯曲，它可能会破碎。

在SLAC机械车间忙碌了许多天后，斯卡帕斯和团队完成了组装并将模块运送到伯尔尼大学进行测试。

“把探测器的所有部件组装起来就像是指挥一支管弦乐队，”斯卡帕斯说。“你必须了解每个人的科学目标需要什么，然后将这些需求融合在一起来建造探测器。”

先进的机器学习技术

DUNE的主要目标是通过研究中微子的特性来探索一些关于宇宙组成的最深层次的问题。要做到这一点，研究人员不仅需要捕捉中微子相互作用，还需要理解这些相互作用产生的数据。

就原型探测器而言，每天多达数千次中微子相互作用产生的数据，科学家不可能逐张手动研究。因此，研究人员发明了新的机器学习技术来处理如此大量的数据。机器学习是一种人工智能，它可以检测大型数据集中的模式，然后利用这些模式进行预测并改进未来的分析。

“用眼睛看，在探测器生成的单个图像中很容易找到所需的信息，”SLAC研究员FrancoisDrielsma说道。“但教会机器执行这项任务却很困难。有时人们会认为，如果某件事对人类来说很简单，那么对机器来说也应该很简单。但这不一定正确。”

然而，人类无法一次扫描数百万张图像。他们也很难使用传统的编程技术来帮助识别探测器数据中的物体，因此Drielsma的团队开始研究一种名为神经网络的机器学习技术，这是一种大致模仿人类大脑的算法。

一旦神经网络在大量数据上进行训练——无论是来自粒子相互作用还是天文图像——它就可以自动分析其他复杂数据集，几乎是即时的，而且非常精确。

程序的运行日益完善，未来几年，在原型探测器收集数据的同时，研究人员将继续微调其性能。

“训练程序准确地完成我们想要的一切将是一项艰巨的任务，”德里尔斯玛说。“但当事情变得困难时，它们真的很有趣。”

“原型机非常重要，因为它是DUNE运行前唯一可用的能量与DUNE光束相当的中微子光束数据来源，”参与该项目的SLAC科学家詹姆斯·辛克莱(JamesSinclair)说。“我们很高兴完成实验中的这一关键步骤，现在已准备好研究即将收到的数据。”

针对不寻常问题的模块化设计

中微子是一种与其他粒子不同的基本粒子。它们可以穿过几乎所有肉眼看不见的物质，并可以在途中改变形态——这种现象称为中微子振荡。科学家认为，更好地了解它们不寻常的特性可以帮助解答一些关于宇宙物质起源和中微子质量模式的最具挑战性的问题。

为了探测中微子，物理学家使用所谓的时间投影室(TPC)——一个装满液化惰性气体(如氩气)的巨大容器。当粒子从外部进入室内时，会发生两件事。

首先，粒子与氩原子之间的相互作用会产生闪光，称为闪烁。其次，粒子可以将电子从氩原子中撞出，使其电离。TPC通常包括用于检测闪烁的感光设备和将自由电子引导到探测器一端的电场，传统上，金属丝网会将它们作为电流拾取。

通过将闪光的细节与电子到达网格的时间进行比较，研究人员可以识别关键细节，包括它们拾取的粒子种类以及这些粒子的移动速度。

其目的是利用大量氩气和相对较少的探测设备捕获尽可能多的中微子相互作用，几乎所有的探测设备都停留在体积的边缘。

但是SLAC科学家HiroTanaka(DUNE近探测器技术总监兼SLACDUNE项目负责人)表示，DUNE还需要更多的东西。

与许多其他中微子实验不同，DUNE将产生大量中微子，并将它们成束地发射到芝加哥郊外DUNE附近的探测器。

在短短几微秒的时间里，科学家预计会在近探测器中看到多个中微子相互作用。问题是，所有这些相互作用使得很难分辨哪道闪光属于哪个中微子，部分原因是大型液氩罐会散射和扩散每个单独的闪光。

这也使得很难分辨哪个电子来自哪个电离事件，因为任何一个电子都需要几毫秒才能到达TPC的边缘，在此期间可能发生了许多相互作用。

正是出于这些担忧，新推出的原型机(称为2x2探测器)诞生了。从某种程度上讲，这个想法很简单：不是使用一个巨大的TPC，而是将设备拆分成一组四个TPC模块，这些模块以2x2网格排列——因此得名。

每个模块实际上包含两个独立的氩气容器，中间有一个不透明的壁。这面壁实际上创造了八个光学上独立的TPC罐，因此不太可能将一个中微子闪光误认为另一个。它还充当电场的来源，将电离电子吸引到探测器模块的侧面。

此外，每个模块都包含一个由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发的用于检测电离电子的新系统，该系统不仅可以检测电子何时到达，还可以精确地检测电子到达的位置，与传统的基于导线的设计相比，在DUNE近探测器的高交互率环境中，每层导线提供的信息可能难以协调。

结合光闪烁，这将帮助研究人员首次在三维空间中毫无疑问地确定中微子相互作用发生的地点。