دتکتور پروتوتایپ DUNE 2×2 برای ثبت ۱۰,۰۰۰ تعامل نوترینو در روز
پژوهشگران در ایالات متحده با همکاری دیگر محققان از سراسر جهان پروژه‌ای را برای ساخت یک دتکتور نوترینویی پروتوتایپ به راه انداخته‌اند - که به نوبه خود به تنظیم دقیق نسخه کامل دتکتور مایع آرگون ND-LAr در نزدیکی DUNE کمک خواهد کرد.
پروژه توسط پژوهشگران در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی ایالات متحده انجام می‌شود.
دتکتور نوترینو پروتوتایپ اکنون اولین تعاملات نوترینویی خود را در آزمایشگاه ملی شتابدهنده فرمی (Fermilab) به ثبت رسانده است.
در سال‌های آینده، این به تنظیم دقیق نسخه کامل دتکتور ND-LAr DUNE برای آزمایش بین‌المللی عمیق زیرزمینی نوترینو (DUNE) که توسط Fermilab رهبری می‌شود، کمک خواهد کرد.
پژوهشگران SLAC همچنین برنامه دارند از پروتوتایپ برای آزمایش تکنیک‌های پیشرفته یادگیری ماشینی که انتظار می‌رود نقش بزرگی در پردازش اطلاعات تولیدشده توسط DUNE داشته باشد، استفاده کنند.
جیمز سینکلر، یک دانشمند در SLAC که بر روی این پروژه کار می‌کند، گفت: «پروتوتایپ بسیار مهم خواهد بود زیرا تنها منبع داده‌های پرتوی نوترینویی با انرژی‌های قابل‌مقایسه با پرتوی DUNE خواهد بود که قبل از شروع به کار DUNE در دسترس خواهد بود.»
تشخیص نوترینوها - واقعاً یک کار سخت
نوترینوها بسیار دشوار به دست می‌آیند، زیرا تقریباً از تمام ماده بدون دیده شدن عبور می‌کنند و در طول مسیر می‌توانند تغییر شکل دهند - در پدیده‌ای به نام نوسان نوترینو.
کارشناسان معتقدند که درک ویژگی‌های غیرمعمول نوترینو می‌تواند به درک دقیق‌تر منشا ماده در جهان منجر شود.
برای تشخیص این ذرات، پژوهشگران از یک محفظه زمان‌پروژکشن (TPC) که یک مخزن بزرگ پر از گازهای نجیب مایع شده مانند آرگون است، استفاده می‌کنند.
هر بار که یک ذره وارد محفظه می‌شود دو اتفاق می‌افتد. اولین این است که تعاملات بین ذره و اتم‌های آرگون سبب ایجاد فلش‌های نور می‌شود. دوم اینکه، ذره می‌تواند الکترون‌ها را از اتم‌های آرگون آزاد کند و آنها را یونیزه کند.
معمولاً TPC ها دارای قسمت‌های حساس به نور برای تشخیص سنتیلاسیون و یک میدان الکتریکی هستند که الکترون‌های آزاد را به سمت یکی از انتهای دتکتور هدایت می‌کند، جایی که به طور سنتی یک مش سیمی آنها را به عنوان جریان الکتریکی جمع‌آوری می‌کند.
پژوهشگران جزئیات فلش را با زمانی که الکترون‌ها برای رسیدن به مش نیاز دارند مقایسه می‌کنند تا نوع ذراتی که گرفته شده‌اند و سرعت حرکت آنها را محاسبه کنند.
نیازمندی‌های DUNE متفاوت است - و پروتوتایپ نیز
با این حال، هیرو تاناکا، دانشمند SLAC و مدیر فنی دتکتور نزدیکی DUNE و سرپرست تلاش‌های SLAC در پروژه DUNE، می‌گوید که نیازمندی‌های DUNE بسیار بزرگتر است.
تاناکا می‌گوید: «برخلاف بسیاری از آزمایش‌های نوترینویی دیگر، DUNE تعداد بسیار زیادی از نوترینوها تولید می‌کند و آنها را به صورت دسته‌ای به سمت دتکتور نزدیکی DUNE در خارج از شیکاگو می‌فرستد. در مدت زمان چند میکروثانیه، دانشمندان انتظار دارند چندین تعامل نوترینویی در دتکتور نزدیکی مشاهده کنند.»
این تعاملات متعدد که با سرعت بالایی رخ می‌دهند تشخیص اینکه کدام فلش به‌خاطر کدام نوترینو اتفاق افتاده است را سخت می‌کند.
از این نگرانی‌ها بود که پروتوتایپ تازه تاسیس شده به نام دتکتور 2×2 متولد شد.
ایده پشت آن به جای استفاده از یک TPC بزرگ، دستگاه را به مجموعه‌ای از چهار ماژول TPC که در یک شبکه دو در دو قرار گرفته‌اند، تقسیم کنیم.
هر ماژول در واقع شامل دو حجم جداگانه از آرگون با دیواری مات در مرکز است. آن دیوار به طور موثری هشت مخزن TPC اپتیکی جداگانه ایجاد می‌کند، بنابراین احتمال اشتباه گرفتن یک فلش نوترینو با دیگری کمتر است. همچنین به عنوان منبع میدان الکتریکی که الکترون‌های یونیزه را به طرفین ماژول دتکتور می‌کشد، عمل می‌کند.
علاوه بر این، هر ماژول شامل یک سیستم جدید برای تشخیص الکترون‌های یونیزه توسعه‌داده‌شده در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی (DOE) است.
دانشمندان همچنین از داده‌های پروتوتایپ برای مطالعه نوترینوهای الکترونی که یکی از سه نوع نوترینوی شناخته‌شده است استفاده خواهند کرد.
تقریباً تمام نوترینوهایی که از پرتو نوترینویی در Fermilab خارج می‌شوند، نوترینوهای میونی خواهند بود، اما 1 درصد از هر 1000 نوترینوهای الکترونی خواهند بود.
سینکلر گفت: «DUNE باید نوسان نوترینوهای میونی به نوترینوهای الکترونی را از طریق شمارش هر دو تعامل اندازه‌گیری کند. ما می‌دانیم که احتمال تعامل نوترینوهای الکترونی متفاوت از نوترینوهای میونی است. دتکتور 2×2 به ما اجازه مطالعه و تایید توانایی دتکتور جدید برای شناسایی و مطالعه تعاملات نوترینوهای الکترونی را می‌دهد.»
بر اساس خبرنامه SLAC، دتکتور پروتوتایپ DUNE 2×2 روزانه تا ۱۰,۰۰۰ تعامل نوترینویی را ثبت خواهد کرد.
