DUNE 科學家在費米實驗室使用原型探測器觀測到第一批微中子

在國際深地微中子實驗 (DUNE) 的一個重要步驟中，科學家們使用美國能源部費米國家加速器實驗室 (Fermilab) 的 DUNE 原型粒子探測器，探測到了第一批微中子。

DUNE 新型原型探測器的核心是革命性的新技術 LArPix，這是一個創新的端到端像素化感測器和電子系統，能夠以真正的三維方式成像微中子事件，該系統由勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 的物理學家和工程師團隊構思、設計和建造，並於今年早些時候安裝在費米實驗室。

目前正在建設中的 DUNE 將成為世界上最全面的微中子實驗。它將使科學家們能夠探索微中子研究的新領域，並可能解決宇宙中一些最大的物理謎團，包括尋找物質的起源，以及了解更多關於超新星和黑洞形成的信息。

由於 DUNE 將採用新的設計和技術，科學家們正在測試原型設備和組件，為最終探測器安裝做準備。2 月份，DUNE 團隊完成了他們最新的原型探測器在費米實驗室現有微中子束線路徑中的安裝。7 月 10 日，該團隊宣佈他們已成功地在原型探測器中記錄到他們的第一批加速器產生的微中子，這是驗證設計的一步。

「這是一個真正具有里程碑意義的時刻，證明了這項技術的潛力。」費米實驗室的科學家 Louise Suter 說，她協調了模組的安裝。「看到這項驗證成果真是太好了，這證明了在設計、建造和安裝探測器方面所付出的辛勤工作。」

伯克利實驗室領導新的微中子探測系統的工程整合，這是 DUNE 近探測器複合體的一部分，將在費米實驗室場址建造。其原型——由於它有四個模組呈正方形排列，因此稱為 2×2 原型——使用液氬時間投影腔記錄粒子軌跡。

「DUNE 需要一種能夠承受高強度環境的液氬 TPC (LArTPC) 探測器，但這被認為是不可能的。」伯克利實驗室微中子物理組負責人、ND-LAr 協會的項目技術負責人 Dan Dwyer 說，該協會為新系統的設計和製造貢獻了關鍵要素。「憑藉 LArPix 的發明，我們 LBNL 的團隊使這個夢想成為現實。現在安裝在 DUNE 的 2×2 演示器將我們真正的三維讀出與高覆蓋率的光探測器相結合，產生了一個真正創新的粒子探測器。」

Brooke Russell 曾是伯克利實驗室的 Chamberlain 博士後研究員，現在是麻省理工學院的 Neil 和 Jane Pappalardo 物理學特別研究員，她在 2×2 原型的開發中發揮了至關重要的作用，她將其描述為「一種首創的探測器，具有超過 337,000 個單獨的電荷敏感像素，粒度約為 4 毫米」。在 COVID-19 大流行期間，伯克利實驗室領導了端到端像素化電荷讀出系統的設計、建造和測試。

「在微中子束中運行 2×2 原型將開啟一個新的時代，為微中子相互作用測量提供高保真、固有的三維 LArTPC 圖像。」Russell 說。

DUNE 近探測器的最終版本將包含 35 個液氬模組，每個模組都比原型中的模組更大。這些模組將有助於導航近址預期的大量微中子通量。

2×2 原型實現了新穎的技術，使新的詳細、尖端的微中子成像機制能夠處理 DUNE 中的獨特條件。它具有一個毫米級像素讀出系統（由伯克利實驗室的一個團隊開發），允許在大規模上進行高精度三維成像。這加上其模組化設計，使該原型區別於 ICARUS 和 MicroBooNE 等以前的微中子探測器。

現在，2×2 原型提供了 DUNE 合作項目將分析和發表的首批加速器微中子數據。

DUNE 分佈在兩個相距數百英里的地點：來自芝加哥附近的費米實驗室的微中子束將穿過位於費米實驗室場址的粒子探測器，然後穿過地下 800 英里，到達南達科他州桑福德地下研究設施 (SURF) 的幾個巨大的探測器。

費米實驗室的 DUNE 探測器將在其起源附近分析微中子束，那裡的束流非常強烈。合作者預計該近探測器將記錄大約每秒一次的脈衝中的約 50 次相互作用，在 DUNE 預計的多年運行過程中，將累計數億次微中子探測。科學家們還將使用 DUNE 來研究微中子的反物質對應物——反微中子。

這種前所未有的加速器產生的微中子和反微中子通量將使 DUNE 宏偉的科學目標成為可能。物理學家們將使用 DUNE 的近探測器和遠探測器來研究這些粒子，以了解它們在傳播過程中如何改變類型，這種現象稱為微中子振盪。通過尋找微中子振盪和反微中子振盪之間的差異，物理學家們將尋找稱為 CP 破壞的破缺對稱性的證據，以確定微中子是否可能對我們宇宙中物質的普遍存在負責。

DUNE 合作項目由來自 200 多家研究機構的 1400 多名科學家和工程師組成。其中近 40 家機構從事近探測器的研究工作。具體而言，2×2 原型的硬體開發由瑞士伯爾尼大學、美國能源部的費米實驗室、伯克利實驗室和 SLAC 國家加速器實驗室領導，許多大學也做出了重大貢獻。

「2×2 演示器確實是一項充滿熱情的工程。」Dwyer 說。「它始於幾個專注的團隊，他們看到了這些新技術作為一個非凡的粒子探測器結合在一起的潛力。現在項目正在推進，結果非常令人印象深刻，來自 2×2 演示器的這些壯觀圖像證明我們走在正確的道路上。」

「看到我們開發的用於測量高強度束流中微中子的技術取得成功，真是太好了。」伯爾尼大學的教授 Michele Weber 說，模組化設計的概念起源於伯爾尼大學，那裡也組裝和測試了這四個模組，她領導著新的粒子探測系統背後的努力。「成功證明了該技術能夠同時記錄多次微中子相互作用的能力，這將為 DUNE 液氬近探測器的建設鋪平道路。」

下一步

測試 2×2 原型對於證明創新設計和技術在大規模上是否有效以滿足近探測器的要求是必要的。以前從未建造或測試過能夠探測高比率微中子和反微中子的模組化液氬探測器。

現有的費米實驗室束線是進行測試的理想場所，並為研究人員測量這些神秘粒子提供了令人興奮的機會。它目前正在「反微中子模式」下運行，因此 DUNE 科學家將使用 2×2 原型來研究反微中子和氬之間的相互作用。當反微中子撞擊氬原子時（就像在充滿氬氣的近探測器中一樣），它們會相互作用並產生其他粒子。原型將觀察產生了哪些種類的粒子以及頻率如何。研究這些反微中子相互作用將使科學家能夠使用 DUNE 比較微中子和反微中子的振盪。

「分析這些數據對於我們早期職業的科學家來說是一個獲得經驗的好機會。」2×2 原型的第一次運行協調員、伯克利實驗室的 Chamberlain 博士後研究員 Kevin Wood 說，原型的新型讀出系統是在伯克利實驗室開發的。「2×2 原型成像的微中子相互作用將為我們的研究生、博士後和其他年輕合作者提供一個高度期待的數據集，供他們在我們繼續準備讓 DUNE 上線的過程中進行分析。」

DUNE 合作項目計劃用費米實驗室束流中的微中子轟擊 2×2 原型數月時間。

義大利博洛尼亞大學物理學教授、與布魯克海文國家實驗室的 Mary Bishai 共同擔任 DUNE 發言人的 Sergio Bertolucci 說：「對於 2×2 團隊和整個 DUNE 合作項目來說，這是一個令人興奮的里程碑。願這是 DUNE 無數微中子相互作用中的第一次！」

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。