2024-10-26 17:32 來源：本站編輯
美國能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員與來自世界各地的合作者一起建造了一個原型中微子探測器，現(xiàn)在已經(jīng)在費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)捕獲了第一個中微子相互作用。
原型探測器將有助于在未來幾年為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的國際深地下中微子實(shí)驗(yàn)(DUNE)微調(diào)DUNE近探測液氬(ND-LAr)探測器的全尺寸版本，同時(shí)幫助闡明一些特定的中微子性質(zhì)。
研究人員還將使用探測器測試SLAC開發(fā)的先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，該技術(shù)有望在處理DUNE生成的大量數(shù)據(jù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
科學(xué)家們還將使用來自原型的數(shù)據(jù)來研究電子中微子，這是已知的三種中微子之一。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的中微子束中幾乎所有的中微子都是介子中微子，但每1000個中微子中只有一個是電子中微子。
“DUNE需要通過計(jì)算兩種相互作用來測量介子中微子到電子中微子的振蕩，”辛克萊說?！拔覀冎离娮又形⒆拥南嗷プ饔酶怕什煌诮樽又形⒆?。2x2將使我們能夠研究和驗(yàn)證新探測器識別和研究電子中微子相互作用的能力?！?/p>
田中說，雖然這個模塊系統(tǒng)看起來很簡單，但它面臨著實(shí)際的挑戰(zhàn)。它為探測中微子增加了很多障礙。長期擔(dān)任SLAC機(jī)械工程師的克努特·斯卡爾帕斯八世和他的同事們設(shè)計(jì)了一種輕便、堅(jiān)固、能承受極冷的液態(tài)氬溫度的系統(tǒng)。
斯卡帕斯與伯爾尼大學(xué)和伯克利實(shí)驗(yàn)室的合作者一起研究了TPC模塊的許多組件。當(dāng)斯卡帕斯第一次聽說這個探測器的原型時(shí)，他走到黑板前，畫了一個可能的設(shè)計(jì)草圖。許多年后，探測器看起來與最初的圖紙幾乎一模一樣。
完成設(shè)計(jì)后，斯卡帕斯和他的團(tuán)隊(duì)專注于建造原型的靜電場籠子，盒子里裝著探測器的所有電子元件和液態(tài)氬氣。這個籠子定義了原型的體積，所有東西都必須裝進(jìn)這個體積。
此外，該團(tuán)隊(duì)還必須在不接觸任何其他金屬部件的情況下，將高壓陰極擠壓到籠子中，該陰極將電離電子引導(dǎo)到陽極。如果金屬接觸到陰極，這可能會產(chǎn)生電弧，危及探測器設(shè)備。
也許建造過程中最困難的部分是選擇合適的電纜。電纜為高壓陰極供電，使整個探測器工作，它需要是直的，不能接觸任何其他部分，并且由于探測器內(nèi)部的低溫，必須能夠收縮到兩英寸。如果電纜在如此寒冷的溫度下彎曲，它可能會斷裂。
Skarpaas和他的團(tuán)隊(duì)在SLAC的機(jī)械車間里呆了很長時(shí)間后，完成了組裝，并將模塊運(yùn)送到伯爾尼大學(xué)進(jìn)行測試。
斯卡爾帕斯說:“把探測器的所有部件放在一起就像擔(dān)任管弦樂隊(duì)的指揮?！薄澳惚仨毩私饷總€人對他們的科學(xué)目標(biāo)的需求，然后將這些需求融合在一起來建造探測器?！?/p>
DUNE的主要目標(biāo)是通過研究中微子的性質(zhì)來探索有關(guān)宇宙組成的一些最深奧的問題。要做到這一點(diǎn)，研究人員不僅需要捕獲中微子相互作用，還需要理解這些相互作用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
在原型探測器的情況下，每天由多達(dá)數(shù)千個中微子相互作用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對于科學(xué)家來說是不可能逐個圖像地手動研究的。因此，研究人員發(fā)明了新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來處理這么多的數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)是一種人工智能，它可以檢測大型數(shù)據(jù)集中的模式，然后使用這些模式進(jìn)行預(yù)測并改進(jìn)未來的分析。
SLAC研究員弗朗索瓦·德里爾斯馬說:“通過眼睛，在探測器生成的單幅圖像中可能很容易找到你需要的信息。”“但是教會機(jī)器完成這項(xiàng)任務(wù)是很困難的。有時(shí)會有這樣的想法:如果某件事對人類來說很簡單，那么對機(jī)器來說也應(yīng)該很簡單。但這并不一定正確?！?/p>
不過，人類還無法一次掃描數(shù)百萬張圖像。他們還在努力使用傳統(tǒng)的編程技術(shù)來幫助識別探測器數(shù)據(jù)中的物體，因此Drielsma的團(tuán)隊(duì)開始研究一種名為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，這是一種大致模仿人類大腦的算法。
一旦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受了大量數(shù)據(jù)(無論是粒子相互作用還是天文圖像)的訓(xùn)練，它就能自動分析其他復(fù)雜的數(shù)據(jù)集，幾乎是即時(shí)的，而且精度很高。
這個項(xiàng)目每天都在改善，研究人員將在未來幾年繼續(xù)微調(diào)它的性能，而原型探測器正在收集數(shù)據(jù)。
Drielsma說:“訓(xùn)練這個程序準(zhǔn)確地完成我們想要的一切將是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。”“但當(dāng)事情變得困難時(shí)，它們真的很有趣?！?/p>
參與該項(xiàng)目的SLAC科學(xué)家詹姆斯·辛克萊(James Sinclair)說:“這個原型將非常重要，因?yàn)樗窃贒UNE運(yùn)行之前可以獲得的能量與DUNE光束相當(dāng)?shù)闹形⒆邮鴶?shù)據(jù)的唯一來源。”“我們很高興能夠完成實(shí)驗(yàn)中的這一關(guān)鍵步驟，現(xiàn)在我們已經(jīng)準(zhǔn)備好研究即將到來的數(shù)據(jù)?！?/p>
中微子是不同于其他粒子的基本粒子。它們可以穿過幾乎所有看不見的物質(zhì)，并且可以在途中改變形式——這種現(xiàn)象被稱為中微子振蕩?？茖W(xué)家們認(rèn)為，更好地了解中微子不同尋常的特性，可能有助于回答一些最具挑戰(zhàn)性的問題，比如宇宙中物質(zhì)的起源和中微子質(zhì)量的模式。
為了探測中微子，物理學(xué)家使用了所謂的時(shí)間投射室(TPC)——一個巨大的液化惰性氣體儲罐，比如氬氣。當(dāng)一個粒子從外部進(jìn)入腔室時(shí)，會發(fā)生兩件事。
首先，粒子和氬原子之間的相互作用會產(chǎn)生閃光，這種閃光被稱為閃爍。其次，這種粒子可以把電子從氬原子中撞出來，使它們電離。tpc通常包括用于探測閃爍的光敏設(shè)備和一個電場，該電場將自由電子引導(dǎo)到探測器的一端，在那里——傳統(tǒng)上——一個金屬絲網(wǎng)將它們作為電流接收。
通過將閃光的細(xì)節(jié)與電子到達(dá)網(wǎng)格所需的時(shí)間進(jìn)行比較，研究人員可以確定關(guān)鍵細(xì)節(jié)，包括他們正在拾取的粒子種類以及這些粒子的移動速度。
這個想法是用大量的氬氣和相對較少的探測器設(shè)備捕獲盡可能多的中微子相互作用，幾乎所有的探測器設(shè)備都停留在這個體積的外圍。
但是DUNE需要更多的東西，SLAC科學(xué)家田中宏說，他是DUNE近距離探測器的技術(shù)總監(jiān)，也是SLAC DUNE項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。
與許多其他中微子實(shí)驗(yàn)不同，DUNE將產(chǎn)生非常大量的中微子，并將它們成群地發(fā)射到芝加哥郊外DUNE附近的探測器上。
在短短幾微秒的過程中，科學(xué)家們期望在近距離探測器中看到多個中微子相互作用。問題是，所有這些相互作用使得很難分辨出哪個閃光屬于哪個中微子，部分原因是大型液態(tài)氬氣罐會分散和擴(kuò)散每個閃光。
這也使得分辨哪個電子來自哪個電離事件變得困難，因?yàn)槿魏我粋€電子都需要幾毫秒才能到達(dá)TPC的邊緣，在此期間可能發(fā)生了許多相互作用。
正是出于這些擔(dān)憂，新鑄造的原型，被稱為2x2探測器，誕生了。在一個層面上，這個想法很簡單:與其使用一個巨大的TPC，不如將設(shè)備分成四個TPC模塊，排列成一個2乘2的網(wǎng)格——因此得名。
每個模塊實(shí)際上包含兩個獨(dú)立的氬氣體積，中間有一個不透明的壁。這堵墻有效地創(chuàng)造了八個光學(xué)上獨(dú)立的TPC儲罐，這樣就不太可能把一個中微子閃光誤認(rèn)為另一個。它還作為電場的來源，將電離電子吸引到探測器模塊的兩側(cè)。
此外，每個模塊都包含一個由美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于檢測電離電子的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以捕獲電子到達(dá)的時(shí)間，還可以精確地捕獲電子到達(dá)的位置，與傳統(tǒng)的基于電線的設(shè)計(jì)相反，在沙丘探測器附近的高交互速率環(huán)境中，每個電線平面提供的信息很難協(xié)調(diào)。
結(jié)合閃光，這將有助于研究人員首次確定中微子相互作用在三維空間中發(fā)生的位置。
