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科学家组装费米实验室短基线中微子计划的最终探测器

2021-10-03 17:42     来源:Fermilab     费米国家加速器实验室中微子

9 月,Anne Schukraft 在短基线附近探测器上查看电隔离支撑吊架,该吊架悬挂阴极的重量并从上方连接组件。照片:Ryan Postel,费米实验室

美国能源部费米国家加速器实验室的短基线中微子计划的艰巨任务是寻找标准模型以外的物理学,并研究宇宙中最难以捉摸的粒子的行为。

该计划由三个探测器组成——短基线近探测器、MicroBooNE 和 ICARUS——将扩展费米实验室国际知名的中微子研究活动。通过用这些探测器研究中微子的特性,科学家们将更多地了解这些微小粒子在宇宙中的作用。

在费米实验室,三个探测器将沿着一条直线交错排列,每个探测器都探测强烈的中微子束。正在建设中的 SBND 将最靠近中微子束源,距离质子撞击目标并产生 μ 中微子束的区域仅 110 米。MicroBooNE 于 2015 年开始采集数据,距 SBND 360 米,将于今年秋季开始物理运行的 ICARUS 距 MicroBooNE 130 米。

这些探测器将一起以前所未有的细节研究中微子振荡。在这个过程中,单个中微子在穿过空间时可以在三种已知的中微子类型之间转换。如果存在第四种类型的中微子,或者中微子的行为与当前理论预测的不同,科学家们希望在三个探测器观测到的中微子振荡模式中找到这种新物理学的证据。

完成后,SBND 的检测器将悬挂在充满液态氩的腔室中。当中微子进入腔室并与氩原子碰撞时,它会发出带电粒子和光的喷雾,探测器会记录下来。这些信号将为科学家提供信息,以重建中微子-氩碰撞中出现的所有粒子轨迹的精确 3D 图像。

该项目的技术协调员、科学家安妮·舒克拉夫特 (Anne Schukraft) 说:“你会看到一张图像,它以如此小的比例向你展示了如此多的细节。” “如果将其与上一代实验进行比较,它确实为您打开了一个可以学习的新世界。”

充电


9月,带底场笼模块的SBND阴极平面安装在组件运输框架中。阴极框架管结构包含 16 个双面波长偏移反射面板,此处覆盖有黑色塑料以防止曝光。照片:Ryan Postel,费米实验室

在电池供电的电路中,电子在负极和正极端子之间流动。在 SBND 中,中微子碰撞后产生的电子将跟随探测器内部产生的电场:两个阳极平面和一个带负电荷的阴极平面。然而,这不是一个小电路。每个平面的尺寸为 5 x 4 米,阴极和每个阳极之间的电场为每厘米 500 伏特,阴极传导高达 100,000 伏特的电压。

两个阳极平面,每一个都由间隔 3 毫米的精致电线制成,将覆盖立方体形探测器的两个相对侧壁。它们将收集由探测器内部碰撞产生的粒子产生的电子,而它们后面的光传感器将记录光子或光粒子。

在探测器的中间,一个覆盖着反射箔的垂直平面将作为阴极。组装团队于 7 月下旬将重阴极平面降低到探测器钢架中的适当位置,并预计在 10 月初安装第一个阳极平面。在安装之前,每个光敏层都保持在一个特殊的受控清洁区域。

完全组装后,探测器将重达 100 多吨,并充满保持在负 190 摄氏度的氩气。整个设备将放置在一个低温恒温器中,该低温恒温器由厚钢和隔热板制成,可让一切保持低温。一个复杂的管道系统将对液态氩进行循环和过滤,以保持其清洁。

中微子科学家,集合
世界各地的不同团体——主要位于美国、英国、巴西和瑞士——制造了探测器部件并将它们运往费米实验室。但是,正在组装探测器框架的类似仓库的建筑物并不是探测器永远的家。

一旦组件安装在钢框架中,该团队将把探测器运送到费米实验室几英里之外的 SBND 大楼,工作人员正在那里建造低温恒温器,探测器将在那里实际收集其数据。Schukraft 估计 SBND 将在 2023 年初首次发布数据。

“SBND 的好处是我们从头开始构建它,”雪城大学的博士后研究员 Mônica Nunes 说。“所以我们在这个过程中学到的一切都将对下一代中微子实验非常有用。”


9 月,Will Foreman (IIT) 和 Vishvas Pandey (U Florida) 讨论了安装光扩散器以校准光子检测系统的问题。照片:Ryan Postel,费米实验室

SBND 将补充 MicroBooNE 和 ICARUS 作为超越标准模型的物理学的三重探测器。特别是,研究人员正在寻找惰性中微子,一种不与弱力相互作用的中微子。之前的两个实验,洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器和费米实验室的 MiniBooNE,发现了暗示这些难以捉摸的粒子存在的异常现象。通过测量中微子如何振荡和转换类型,SBN 计划旨在确认或质疑这些异常现象,并添加更多支持或反对惰性中微子存在的证据。

“我们的想法是在非常靠近中微子源的地方安装一个探测器,以期捕捉到这种中微子,”探测器组件的联合经理罗伯托·阿恰里 (Roberto Acciarri) 说。“然后,我们有一个远处的探测器和一个中间的探测器,看看我们是否能看到无菌中微子产生时和它们振荡离开时的情况。"

SBND 研究人员还将高精度地研究中微子如何与充满探测器的氩原子相互作用。由于 SBND 离中微子束的起源如此之近,它每年将记录超过一百万次中微子-氩相互作用。这些相互作用的物理学是未来中微子实验的一个重要元素,这些实验将使用液氩探测器,例如深地下中微子实验。

“很高兴看到几乎每天都有进步,”Schukraft 说。“我们都急切地等待着这个实验开始获取数据。”

Fermilab SBND 项目得到美国能源部科学办公室的支持。
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