基于位于歐洲核子研究中心中微子平臺(tái)ProtoDUNE單相探測(cè)器收集的數(shù)據(jù)，研究結(jié)果表明，該探測(cè)器的效率超過(guò)99%，不僅是目前最大的，也是目前性能最好的液氬時(shí)間投影室。

科學(xué)家們現(xiàn)在正在利用其發(fā)現(xiàn)來(lái)完善實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并為在長(zhǎng)基線中微子設(shè)施（Long-Baseline中微子設(shè)施）建設(shè)國(guó)際深地下中微子實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。長(zhǎng)基線中微子設(shè)施是由美國(guó)能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)主持的下一代中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

曼徹斯特大學(xué)教授、DUNE發(fā)言人斯特凡·索爾德納-雷姆博爾德說(shuō)：第一批研究結(jié)果對(duì)我們來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息，表明ProtoDUNE-SP探測(cè)器的工作比預(yù)期還要好?，F(xiàn)在我們已經(jīng)準(zhǔn)備好建造DUNE探測(cè)器的第一批部件，它的探測(cè)器模塊將基于這個(gè)原型，但體積要大20倍。DUNE是一項(xiàng)雄心勃勃的國(guó)際實(shí)驗(yàn)，將測(cè)量中微子的微小基本粒子性質(zhì)。中微子是宇宙中最豐富的物質(zhì)粒子之一，但因?yàn)樗鼈兒苌倥c其他粒子相互作用，所以研究它們非常困難。

DUNE探測(cè)器

至少有三種不同類(lèi)型的中微子，每秒有650億個(gè)中微子穿過(guò)地球，當(dāng)中微子旅行時(shí)，它們會(huì)做一些奇怪的事情：它們會(huì)從一種類(lèi)型變成另一種類(lèi)型?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這些中微子振蕩（以及涉及反物質(zhì)中微子的振蕩）可能有助于回答物理學(xué)中的一些大問(wèn)題，比如觀測(cè)到的宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)性。DUNE還將尋找來(lái)自超新星的中微子，并尋找罕見(jiàn)的亞原子過(guò)程，如質(zhì)子衰變。歐洲核子研究中心（CERN）中微子平臺(tái)協(xié)調(diào)員Marzio Nessi說(shuō)：

ProtoDUNE-SP表明，我們可以將這種類(lèi)型的技術(shù)，放大到我們最終將中微子放入非常強(qiáng)大顯微鏡下所需的大小和分辨率。精確測(cè)量這些振蕩將約束甚至排除一些理論模型，并為發(fā)現(xiàn)和探索罕見(jiàn)的亞原子現(xiàn)象開(kāi)辟新途徑。但為了獲得這些精確的測(cè)量結(jié)果，科學(xué)家們需要非常大、靈敏和可靠的探測(cè)器。能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家、DUNE物理協(xié)調(diào)員伊麗莎白·伍斯特說(shuō)：ProtoDUNE的結(jié)果表明，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一種探測(cè)器，可以在DUNE上實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)。

射穿12756公里的地球

DUNE的設(shè)計(jì)目的是通過(guò)從芝加哥附近的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)射一束中微子，穿過(guò)直徑12756公里的地球，進(jìn)入南達(dá)科他州桑福德地下研究設(shè)施1.5公里深的四個(gè)巨大地下探測(cè)器模塊，從而揭示中微子振蕩的本質(zhì)。歐洲核子研究中心的兩個(gè)ProtoDUNE探測(cè)器（一個(gè)基于單相，另一個(gè)基于雙相液氬技術(shù)）朝著建造巨大的DUNE探測(cè)器模塊邁出了一步，每個(gè)模塊裝滿(mǎn)了1.7萬(wàn)噸液氬。在歐洲核子研究中心，來(lái)自全球各地的DUNE合作研究科學(xué)家使用宇宙射線和一束800GeV的測(cè)試束來(lái)評(píng)估ProtoDUNE-SP探測(cè)器。

歐洲核子研究中心(CERN)SPS加速器的測(cè)試束穿過(guò)兩個(gè)不同的目標(biāo)，產(chǎn)生電子束、質(zhì)子和其他類(lèi)型的粒子束。位于ProtoDUNE外面的粒子探測(cè)器在這些測(cè)試束粒子進(jìn)入ProtoDUNE-SP之前測(cè)量它們的能量和特性。在探測(cè)器內(nèi)部，800噸透明的液態(tài)氬內(nèi)部懸掛著穿插著光子探測(cè)器的精致導(dǎo)線。當(dāng)一個(gè)經(jīng)過(guò)的粒子與氬相互作用時(shí)，它會(huì)擊打被高壓電場(chǎng)吸引幾米以上的電子，這些電子被吸引到靠近探測(cè)器墻壁的導(dǎo)線平面上。

研究中微子振蕩

根據(jù)電線上的信號(hào)，科學(xué)家們創(chuàng)建了粒子軌跡的三維圖像，并可以確定其能量和身份。通過(guò)將來(lái)自ProtoDUNE-SP內(nèi)部的這些信息與原始測(cè)試束粒子的已知屬性進(jìn)行比較，能夠精確校準(zhǔn)儀器并優(yōu)化復(fù)雜的重建軟件。就像一張照片的質(zhì)量因攝影師的相機(jī)和編輯軟件質(zhì)量而有很大不同一樣，物理數(shù)據(jù)的質(zhì)量也只有探測(cè)器及其重建工具的質(zhì)量那么好。從事ProtoDUNE-SP研究的科學(xué)家從過(guò)去的中微子實(shí)驗(yàn)中吸取了教訓(xùn)，并取得了以前不可能達(dá)到的性能水平。

所有探測(cè)器數(shù)據(jù)都包含稱(chēng)為噪聲的微小變化，有時(shí)很難與粒子產(chǎn)生的信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。這是所有物理實(shí)驗(yàn)中普遍存在的問(wèn)題，科學(xué)家們也在不斷思考通過(guò)增加信號(hào)強(qiáng)度和降低噪聲量相結(jié)合來(lái)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的創(chuàng)新方法。在新研究成果中，科學(xué)家們展示了如何能夠達(dá)到50：1的信噪比，這在以前的液氬時(shí)間投影室中是不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)還評(píng)估了探測(cè)器的可靠性，發(fā)現(xiàn)其15360個(gè)探測(cè)器通道中超過(guò)99%的通道正常工作。

博科園｜研究/來(lái)自：費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《Journal of Instrumentation》

DOI: 10.1088/1748-0221/15/12/P12004

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