在“瓶子里”为中微子科学建造“一艘船”，深入研究反物质不平衡

文/阿甘夜话

编辑/阿甘夜话

前言

深地下中微子实验（DUNE）将是世界上最大的低温粒子探测器，其目的是研究最难以捉摸的粒子：中微子。

来自世界各地的团队正在开发和建造探测器组件，他们将运送到南达科他州黑山的桑福德地下研究设施，通常称为桑福德实验室。

在那里，探测器组件将通过一个狭窄的竖井下降到地下一公里多的地方，到达洞穴，在那里它们将被组装和操作，同时免受不断落在地球表面的宇宙射线的影响。

至少二十年后，探测器将暴露在地球上强度最高的中微子束下，该光束将由伊利诺伊州巴达维亚费米实验室正在开发，兆瓦级质子加速器和光束线在1300公里外产生。

光束线下游的较小探测器将在中微子旅程开始时测量中微子，从而使实验的精度和科学范围成为可能。

问题的鲸鱼

西北大学物理学家安德烈·德·古维亚提出的以下图片：原子如此之大，以至于它们的每一个质子和中子都有蓝鲸那么大，除了一群鲸鱼作为原子核外，他还选择了兔子作为电子。

在一本充满鲸鱼-兔子元素的书中——借用了鲸鱼和兔子的拉丁词，异想天开地命名为鲸目动物——每个原子的直径将达到数万公里。

另一方面，中微子只不过是经过的果蝇，没有意识到，也不受广阔、大部分空白空间中其他物体的影响，那么我们怎么知道中微子的存在呢？为什么我们认为它们可能很重要？

许多实验已经证明了中微子的存在，粒子物理学家一直在稳步积累有关中微子在早期宇宙中，物质对反物质的统治作用的线索。

LBNF / DUNE围绕三种仪器构思：费米实验室的兆瓦级质子加速器和光束线，旨在产生有史以来强度最高的中微子束和两个超灵敏探测器，用于拾取中微子的信号并测量其特性。

近探测器将在光束线下游的费米实验室建造，远探测器将驻留在桑福德实验室，LBNF/DUNE基线——中微子源和远探测器之间的距离——为1300公里。

微小的逃脱艺术家

中微子之所以如此命名，是因为它们是电中性的，具有最小质量的基本粒子万神殿，它们仅通过重力和弱核力与物质相互作用。

弱相互作用的强度约为电磁相互作用的十分之一万亿分之一，它们最广为人知的是放射性衰变机制。

由于中微子几乎没有遇到任何阻力，它们是第一个从活跃恒星内部，坍缩的恒星以及最初的大爆炸中逃逸的粒子。

它们几乎不受阻碍地在宇宙中旅行，携带着其他粒子无法携带的信息，例如1987年，日本的Kamiokande-II实验捕获了从超新星中逃逸的中微子喷雾。

很明显观察足够的中微子相互作用，以做出明确的发现需要巨大的探测器质量，同样必要的还有大量的中微子、较长的数据收集周期和敏感的检测元件。

此外没有已知的技术可以直接探测中微子，实验依赖于从每次中微子相互作用中产生的粒子中收集足够的信息来重建这种相互作用，并梳理出中微子引发它的证据。

这个过程需要详细了解广受欢迎的实验特征：物理允许衰变与探测器元件的反应一致的独特产物。

当中微子通过弱力与目标粒子相互作用时，两个粒子交换中性Z0或带电W玻色子，在Z0的交换中，中微子将其部分能量转移到目标粒子上并继续前进，伴随着碰撞中产生的其他粒子。

但是如果入射中微子的能量足够高，它可以与目标粒子交换W玻色子，在这种情况下，它转化为其可检测的伙伴轻子 - 电子，μ介子或tau - 并在此过程中获得电荷。

这种转变要求进入的中微子的能量略高于其伙伴轻子的静止质量：电子超过0.5 MeV，μ介子大约50 MeV，tau的几GeV。

目标粒子的电荷也会发生变化，遵守电荷守恒定律，这有效地将其转变为不同的粒子，从相互作用的能量中产生了0到10个次级粒子。

当中微子与原子核相互作用时，它可能与整个事物相互作用，与单个核子相互作用，甚至只与一个夸克相互作用，每个的概率取决于入射中微子的能量。

碰撞中产生的粒子可以说明问题，但将其从中哄骗出来是中微子物理学最重要的挑战之一。

粒子探测器在与单个交互相关的时间范围内拾取、数字化和处理信号组合，之后一组重建算法使用数据进行逆向工作并确定交互的参数。

所有粒子实验也是如此，但它对像DUNE这样的长基线实验提出了特殊的挑战，其光束线产生500 MeV-5 GeV范围内的中微子。

能量低于该范围的中微子倾向于与整个原子核相互作用，而高于该范围的中微子倾向于直接与夸克相互作用。

然而DUNE使用的过渡范围呈现出复杂的相互作用组合，尽管研究人员希望实验在更直接的能量范围内进行，但对基线和实现物理目标所需的中微子束的限制迫使研究人员在这个尴尬的过渡范围内工作。

拉普克工作原理

在其最基本的配置中，液氩时间投影室（LArTPC）由高负电压的阴极平面（左）和与其平行且距离一定距离的接地阳极平面（中心）组成，两者都浸入液氩中，并一起在液体体积上建立电场。

当中微子与氩原子核相互作用时，从相互作用中产生的高能带电粒子释放出液态氩气中的电子，电场将电子推向阳极并将正离子吸引到阴极。

描述了 DUNE 设计，其中阳极由传感器导线的平面阵列组成，这些传感器导线以不同的角度相对排列;每个平面中的导线间隔几毫米。

就像在导体附近移动的任何电荷一样，漂移的电子在感应平面导线U和V通过时会产生信号，一旦电子到达内部收集平面Y，它们也会在其导线上产生信号并被吸收。

来自三个线平面的信号由读出电子设备捕获，相互作用中产生的光子也被单独的光子检测系统捕获，并为每个事件提供时间戳。

专门的软件处理信号，以重建导线平面上产生的图案的时间演变立体投影，揭示液体中原始中微子相互作用的位置、时间和特征。

LArTPC的精细分割，可以有效地区分实际信号事件和无趣的背景交互，影响LArTPC性能的两个关键因素：液体氩气的纯度和读出电子设备上的噪声。

氧气和水，往往会吞噬漂移的电子，从而在长漂移长度上衰减信号的电荷并降低信号强度，嘈杂的电子设备会降低信噪比，使两者更难分离。

脚踏实地的挑战

桑福德实验室的沙丘远探测器空间计划包括四个LArTPC模块，需要挖掘约800万吨岩石， 或相当于大约八艘航空母舰的质量。

桑福德实验室的挖掘将创建两个探测器洞穴，每个洞穴高三层，长66000米，将容纳两个模块，以及一个145米长的中央公用洞穴，总容积约为190万立方米，相当于约250个奥林匹克规格的游泳池。

使用的竖井将地下遗址连接到桑福德实验室的地表，岩石沿着 2021 米× 1930 米的竖井向上移动，然后沿着新建的输送机将其沉积成一个大的、 开放前矿区。

四个探测器模块将组成位于南达科他州桑福德地下研究设施地下1.5公里处的远探测器，此处显示了其中一个的示意图，每个模块都有自己的电子和低温系统，以保持其17吨液态氩气冷却到1000 K。

选择该位置的原因包括地下场地岩石的岩土强度，罗斯竖井电梯的容量，对地下如此深的挖掘的限制，以及作用在绝缘钢容器上的内部和外部力，称为低温恒温器，充满重液体。

每个模块将由更小的探测器元件组装而成，这些探测器元件可以安装在4米×1.5米的笼子内或下方，也可以安装在竖井中两个大约1.5米×1.2米的跳跃室之一中。

探测器的结构让人联想到瓶子里的船，这四个模块总共将包含近70万吨液态氩气，LArTPC的仪器化可用体积中将至少有40000公吨，来自粒子相互作用的数据将被记录并发送到数据采集系统。

保持凉爽

低温团队可能需要协调三到四家供应商，这些供应商将为每个探测器模块交付约1000次，氩气将在大约一年的时间内用20吨容量的油罐车到达。

从州际高速公路出发，卡车（每周至少25辆）将进入黑山，穿过小镇利德，最后爬上陡峭的山坡，到达罗斯竖井井架的氩气接收站，要获得一项任务的规模，再加上低温恒温器和探测器组件的交付，然后乘以四。

将 88 K 的液态氩气直接输送到 Ross 竖井下需要绝缘管道和一组压力站，相反设备将在地表蒸发氩气，将其通过未绝缘的管道向下输送，然后将其重新冷凝到地下。

一旦探测器完全安装在低温恒温器内，内部必须清除所有可能污染氩气的碎屑和松散材料，此时低温系统将在底部引入净化后的比空气重的氩气蒸气，以便它可以缓慢地将空气向上和向外推出。

在冷却开始之前，吹扫将重复 10 次，以将低温恒温器和管道中的污染水平降低到百万分之几，为了冷却低温恒温器体积，雾化喷雾器将在低温恒温器的顶部引入液态氩气，让重力和对流将其分配。

当内部达到 90 K 时，系统将开始用纯化的液态氩气填充低温恒温器——这是一个长达一年的过程，在此期间交付必须跟上填充速度。

当液体深度达到约1.5米时，再循环和恒定纯化过程开始，微小但不可避免的热量进入会导致液体非常缓慢、恒定的蒸发，这反过来又导致需要连续的蒸汽回收和再液化过程。

这些低温过程，其中一些必须在探测器的使用寿命内运行，需要工业规模的低温系统。

DUNE不会成为任何系统的测试平台，所有正在实施的产品都经过了广泛的测试，并在工业环境中使用，创造力在于确定尽可能标准的解决方案，满足性能要求，并且重要的是适合轴。

进入探测器的所有组件，都必须在类似于实际操作条件的条件下进行彻底测试，此外以DUNE探测器模块所需的尺寸和规模建造、运输、组装和安装精密组件需要仔细的规划和演练。

因此原型设计已成为DUNE成功战略不可或缺的一部分，除了早期的小型原型外，DUNE合作在过去三年中，在欧洲核子研究中心建造并运行了两个1/20比例的原型。

原型使用不同的LArTPC设计，并且都配备了少量全尺寸探测器组件，当安装在侧面近6米的立方低温恒温器中时，这些设备成为迄今为止建造和运行的最大LArTPC，几乎没有击败费米实验室更窄的ICARUS探测器。

欧洲核子研究中心为深地下中微子实验建造的原型探测器只有最终计划探测器的1/20大小，但当完成时，它们是有史以来最大的液氩时间投影室。

（a） 将原型部件安装在该内部不锈钢膜中，并浸入液氩中，金色是用于在安装过程中保护光子探测器的灯的伪影。（b） 红色钢制外部结构支撑多层绝缘低温恒温器。

近探测器

在费米实验室，就在中微子源下游，近探测器是一个较小的混合中微子探测器，将安装在一个浅的地下洞穴中。

它由三个子探测器组成，其中一个是LArTPC，其读数可以与远处探测器的读数进行同类比较。

远处和近处的探测器使实验能够充分利用1300公里的分离，这是通过中微子振荡观察CP破坏的最佳选择。

近探测器将提供对解释远探测器测量结果和降低其不确定性至关重要的信息，并且还将执行一些独立的物理研究。

由于中微子光束在近探测器上比桑福德实验室的远探测器更窄，因此更强烈，LArTPC和为其他研究优化的子探测器将能够离开光束轴，对光束中的不同中微子能谱进行采样，并进行进一步比较。

第三个子探测器，一个光束监视器，将通过其体积中发生的相对丰富的中微子相互作用的乘积来测量光束的变化，光束监视器保持固定在光束路径中，在那里它对这些变化最敏感。

当所有三个子探测器沿光束轴首尾相连时，它们适合50米长，19米宽和10米高的空间 - 大约是一个远距离探测器模块所需尺寸的四分之一。

而且与远距离探测器一样，所有系统都必须进行原型设计方案，尽管规模较小。

结语

远探测器将需要收集几千个中微子相互作用才能达到测量精度，这将使DUNE能够实现其雄心勃勃的物理目标。

考虑到远探测器的大小，中微子束的强度和预期的相互作用率，该实验计划运行约20年。

在此期间，许多物理学家将花费他们职业生涯的很大一部分用于DUNE——监测近处和远处的探测器，根据需要修复或升级东西，并分析数据。

加速器物理学家将保持光束平稳运行，许多科学家、工程师、计算专家、技术人员和项目管理专业人员已经花费数年时间规划和开发实验，参与其中的每个人都期待着见证DUNE承诺的变革性发现。