¿Cómo se detecta un neutrino subatómico en un "pajar" de partículas que fluyen desde el espacio? Esa es la perspectiva desalentadora que enfrentan los físicos que estudian neutrinos con detectores cerca de la superficie de la Tierra. Con poco o ningún blindaje en lugares no subterráneos, el neutrino de superficieLos detectores, que generalmente buscan neutrinos producidos por aceleradores de partículas, son bombardeados por rayos cósmicos, lluvias incesantes de partículas subatómicas y nucleares producidas en la atmósfera de la Tierra por interacciones con partículas que fluyen desde lugares cósmicos más distantes. Estos abundantes viajeros, en su mayoría muones, crean unred de pistas de partículas entrecruzadas que pueden ocultar fácilmente un evento de neutrinos poco común.
Afortunadamente, los físicos han desarrollado herramientas para atenuar el "ruido" cósmico.
Un equipo que incluye a físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Describe el enfoque en dos artículos recientemente aceptados para su publicación en Revisión física aplicada y el Revista de instrumentación JINST . Estos artículos demuestran la capacidad de los científicos para extraer señales claras de neutrinos del detector MicroBooNE en el Fermi National Accelerator Laboratory Fermilab del DOE. El método combina la reconstrucción de imágenes similar a un escáner de TC con técnicas de cribado de datos que producen neutrinos producidos por un aceleradorlas señales se destacan 5 a 1 contra el fondo de rayos cósmicos.
"Desarrollamos un conjunto de algoritmos que reducen el fondo de rayos cósmicos en un factor de 100.000", dijo Chao Zhang, uno de los físicos de Brookhaven Lab que ayudó a desarrollar las técnicas de filtrado de datos. Sin el filtrado, MicroBooNE vería 20.000rayos cósmicos para cada interacción de neutrinos, dijo. "Este artículo demuestra la capacidad crucial de eliminar los fondos de rayos cósmicos".
Bonnie Fleming, profesora de la Universidad de Yale y co-portavoz de MicroBooNE, dijo: "Este trabajo es fundamental tanto para MicroBooNE como para el futuro programa de investigación de neutrinos de EE. UU. Su impacto se extenderá notablemente más allá del uso de este 'Wire-Técnica de análisis celular, incluso en MicroBooNE, donde otros paradigmas de reconstrucción han adoptado estos métodos de clasificación de datos para reducir drásticamente los fondos de rayos cósmicos ".
Seguimiento de neutrinos
MicroBooNE es uno de los tres detectores que forman el programa internacional Short-Baseline Neutrino en Fermilab, cada uno ubicado a una distancia diferente de un acelerador de partículas que genera un haz de neutrinos cuidadosamente controlado. Los tres detectores están diseñados para contar diferentes tipos de neutrinos enaumentar las distancias para buscar discrepancias de lo que se espera en función de la mezcla de neutrinos en el haz y lo que se conoce sobre la "oscilación" de neutrinos. La oscilación es un proceso mediante el cual los neutrinos intercambian identidades entre tres tipos conocidos o "sabores". Detección de discrepancias en neutrinosrecuentos podrían apuntar a un nuevo mecanismo de oscilación desconocido, y posiblemente una cuarta variedad de neutrinos.
Los científicos de Brookhaven Lab desempeñaron un papel importante en el diseño del detector MicroBooNE, en particular la electrónica sensible que opera dentro de la cámara de proyección de tiempo llena de argón líquido súper frío del detector. A medida que los neutrinos del acelerador de Fermilab ingresan a la cámara, de vez en cuando un neutrinointeractuará con un átomo de argón, expulsando algunas partículas de su núcleo, un protón o un neutrón, y generando otras partículas muones, piones y un destello de luz. Las partículas cargadas que son expulsadas ionizan los átomos de argón en eldetector, sacando algunos de sus electrones de la órbita. Los electrones que se forman a lo largo de estas pistas de ionización son captados por la electrónica sensible del detector.
"Todo el rastro de electrones se desplaza a lo largo de un campo eléctrico y pasa a través de tres planos consecutivos de cables con diferentes orientaciones en un extremo del detector", dijo Zhang. "A medida que los electrones se acercan a los cables, inducen una señal, de modo quecada conjunto de cables crea una imagen 2D de la pista desde un ángulo diferente ".
Mientras tanto, los destellos de luz creados en el momento de la interacción de neutrinos son captados por tubos fotomultiplicadores que se encuentran más allá de las matrices de cables. Esas señales de luz les dicen a los científicos cuándo tuvo lugar la interacción de neutrinos y cuánto tardaron en llegar las pistas.en los planos de alambre.
Las computadoras traducen ese tiempo en distancia y unen las imágenes de la pista en 2D para reconstruir una imagen en 3D de la interacción del neutrino en el detector. La forma de la pista le dice a los científicos qué sabor de neutrino desencadenó la interacción.
"Esta reconstrucción de imágenes 3D 'Wire-Cell' es similar a las imágenes médicas con un escáner de tomografía computarizada TC", explicó Zhang. En un escáner de TC, los sensores capturan instantáneas de las estructuras internas del cuerpo desde diferentes ángulos y las computadorasimágenes juntas. "Imagine las huellas de partículas que atraviesan los planos de tres cables como una persona que entra en el escáner", dijo.
Desenredando la red cósmica
Suena casi simple, si se olvida de los miles de rayos cósmicos que fluyen a través del detector al mismo tiempo. Sus estelas de ionización también se mueven a través de los cables de escaneo, creando imágenes que parecen una red enredada. Por eso, los científicos de MicroBooNEhan estado trabajando en sofisticados "disparadores" y algoritmos para filtrar los datos para que puedan extraer las señales de neutrinos.
Para 2017, habían logrado un progreso sustancial en la reducción del ruido de los rayos cósmicos. Pero incluso entonces, los rayos cósmicos superaban en número a las pistas de neutrinos en aproximadamente 200 a 1. Los nuevos artículos describen técnicas adicionales para reducir esta proporción, y cambiarlo al punto en el que los neutrinoslas señales en MicroBooNE ahora se destacan 5 a 1 contra el fondo de rayos cósmicos.
El primer paso consiste en hacer coincidir las señales reveladas por las partículas generadas en las interacciones de neutrinos con los destellos de luz exactos recogidos por los tubos fotomultiplicadores de esa interacción.
"¡Esto no es fácil!", Dijo Xin Qian, físico del Brookhaven Lab. Debido a que la cámara de proyección del tiempo y los tubos fotomultiplicadores son dos sistemas diferentes, no sabemos qué destello corresponde a qué evento en el detector. Tenemos que compararlos patrones de luz para cada tubo fotomultiplicador con todas las ubicaciones de estas partículas. Si ha hecho todas las coincidencias correctamente, encontrará un solo objeto 3D que corresponde a un solo destello de luz medido por los tubos fotomultiplicadores. "
Brooke Russell, quien trabajó en el análisis como estudiante graduada de Yale y ahora es becaria postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, se hizo eco de estos comentarios sobre el desafío de la comparación de luz. "Dado que la información de cargo en algunos casos no esCompletamente complementaria a la información de la luz, puede haber ambigüedades en los emparejamientos de carga y luz en una sola lectura. Los algoritmos desarrollados por el equipo ayudan a explicar estos matices ", dijo.
Aún así, los científicos deben comparar el tiempo de cada pista con el tiempo en que se emitieron los neutrinos del acelerador un factor que conocen porque controlan el rayo del acelerador. "Si el tiempo es constante, entonces es una posible interacción de neutrinos".Dijo Qian.
El algoritmo desarrollado por el equipo de Brookhaven reduce la proporción a un neutrino por cada seis eventos de rayos cósmicos.
Rechazar rayos cósmicos adicionales se vuelve un poco más fácil con un algoritmo que elimina las pistas que atraviesan completamente el detector.
"La mayoría de los rayos cósmicos atraviesan el detector de arriba a abajo o de un lado a otro", dijo Xiangpan Ji, un postdoctorado de Brookhaven Lab que trabaja en este algoritmo. "Si puede identificar el punto de entrada y salida de la pista, sabes que es un rayo cósmico. Las partículas formadas por interacciones de neutrinos tienen que comenzar en el medio del detector donde tiene lugar esa interacción ".
Eso hace que la relación entre las interacciones de neutrinos y los rayos cósmicos sea de 1: 1.
Un algoritmo adicional elimina los eventos que comienzan fuera del detector y se detienen en algún lugar en el medio, que se parecen a los eventos de neutrinos pero se mueven en la dirección opuesta. Y un último paso de ajuste fino descarta los eventos en los que la luz parpadea.encaja bien con los eventos, para llevar la detección de eventos de neutrinos al notable nivel de 5 a 1 en comparación con los rayos cósmicos.
"Este es uno de los análisis más desafiantes en los que he trabajado", dijo Hanyu Wei, becario postdoctoral del Brookhaven Lab que lidera el esfuerzo de análisis. "La cámara de proyección de tiempo de argón líquido es una nueva tecnología de detección con muchas características sorprendentes.Tuvimos que inventar muchos métodos originales. Fue realmente un esfuerzo de equipo ".
Zhang se hizo eco de ese sentimiento y dijo: "Esperamos que este trabajo aumente significativamente el potencial del experimento MicroBooNE para explorar la intrigante física en líneas de base breves. De hecho, estamos ansiosos por implementar estas técnicas en experimentos en las tresdetectores de neutrinos de referencia para ver lo que aprendemos sobre las oscilaciones de neutrinos y la posible existencia de un cuarto tipo de neutrino ".
Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE. El Complejo Acelerador de Fermilab que crea los neutrinos para MicroBooNE y los otros experimentos de neutrinos de línea base corta es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
El mapa de materia oscura revela puentes ocultos entre galaxias
Comprensión de las partículas invisibles pero poderosas en los cinturones de radiación de la Tierra
Nueva herramienta activa las neuronas cerebrales profundas mediante la combinación de ultrasonido y genética