中微子是一种微妙的亚原子粒子，科学家相信它在宇宙演化中扮演着关键的角色。它们不断地从太阳和其他恒星的核反应中流出，但几乎通过了所有的东西——甚至我们的身体和地球本身——却没有留下任何痕迹。想要研究这些特殊的、轻粒子的科学家必须建造极其灵敏的探测器。美国能源部(U.S. Department of Energy)布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的科学家设计了一种革命性的新型中微子探测器。
在两篇新论文中，MicroBooNE的合作描述了他们如何使用这个探测器来探测中微子的信号。这些论文包括信号处理算法的细节，这些算法对于精确重构中微子与探测器中的原子之间的微妙互动至关重要。据布鲁克海文实验室微boone物理组组长，物理学家Xin Qian说：这些论文总结的研究，包括将最近收集的实验数据与探测器信号和噪声的模拟进行比较，展示了对微boone毫米波探测器性能的极好理解。”这种理解为使用这种探测器技术进行精确的物理测量提供了坚实的基础，不仅在MicroBooNE上，而且在未来的实验中，如地下深处的中微子实验中。
动态探测器
微boone探测器的中心部件是一个液-氩时间投影室(LArTPC)——一个总线大小的容器，里面装满了氩气(保持液体在一个尖锐的-303华氏度)，里面装有设计用于在极冷环境中工作的电子设备。这个组件就像一个强大的x - 3d数码相机，可以捕捉到中微子与坦克中的氩气相互作用时产生的粒子的轨迹。中微子有三种(电子、介子和tau)，它们来源于费米实验室的质子加速器。大多数情况下穿过探测器。但偶尔，中微子也会撞击LArTPC中的氩气核。这种相互作用产生了许多其他粒子，其中一些带有电荷。当这些带电粒子快速通过储罐时，它们就会电离或释放电子，在它们的路径上的其他氩原子。
微boone中中微子相互作用的二维图像，在信号处理的不同阶段(从左到右):探测器记录的原始数据带有一些多余的噪声(水平线);去除过量噪声后的相同数据;在一维中应用了一种称为反褶积的信号处理技术对电离电子的重构分布;在最新版本的信号处理(包括二维反褶积)后重建的电离电子分布。图片：Brookhaven National Laboratory
被驱逐的电子被困在容器周围强大的电场中，并漂向一组排列整齐的导线，它们分别排列在三个不同方向的平面上，一端是阳极。水箱内的电子设备收集和放大电子撞击电线产生的信号，并将这些信号发送出去。通过跟踪这些信号的时间和位置，探测器可以构建电子轨迹的图像，以揭示触发每一个事件链的中微子能量和种类。耶鲁大学(Yale University)研究生布鲁克·罗素(Brooke Russell)说：在阳极面上展开电离信号，就像在一个暗室里处理胶片一样，只是物理学家采用信号处理算法来重建中微子相互作用的图像，而不是化学试剂和溶液。
信号处理
但是，就像处理电影时获得化学反应一样重要，中微子追踪科学家在开发他们的算法时也面临着挑战。首先漂移的离子化电子引起的电流一般都很小，如果电子长时间到达导线，电流就会进一步减小。此外一组漂移电子产生的电流的“波形”可能会被另一组电子抵消掉，这些电子到达后期的类似海浪，当一波的高波峰与另一波的低波峰相交时，这些海浪就会变平。这使得人们很难区分微小的信号与背景“噪音”——储存在用于传输信号的电线上的多余电荷所产生的电子畸变，以及产生探测器电场的外部电源或其他来源。
在液体氩气室中保留一些电子设备有助于减少噪音，因为在读出之前，可以减少信号的传输距离。正如布鲁克海文实验室博士后研究员布莱恩·柯比指出的，这些由布鲁克海文仪器部门设计的低噪音“冷电子”是大型小型计算机的关键技术。它们简化了探测器的设计，提供了充分利用感应导线平面信号所需的电子噪声性能。第二个挑战是，漂移的电子可以在附近的几根导线中产生电流，这就引入了一种可能性，即电子通过某一特定导线所产生的波形可以抵消通过附近导线的电子产生的电流。这些消去依赖于电离电子的分布，导致了高度复杂的信号。
微boone时间投影室(TPC)信号处理的最新改进使3D粒子轨迹(底部)比之前的技术(顶部)更完整地重建，这在3D图像中留下了空白(参见红色圆圈区域进行比较)。这一改进对于区分中微子相互作用信号(绿色圆圈)和宇宙射线与TPC中流体相互作用产生的背景信号至关重要。图片：Brookhaven National Laboratory
?为了解决这一挑战，合作开发了一种新的算法，从测量的导线感应电流中提取电子的分布。该算法的基础是一种叫做反褶积的数学技术，它通过去除液氩室非常复杂的感应响应，极大地简化了“信号”，从而使科学家能够提取到达线面电子的位置和分布。这种反褶积是在二维空间中进行的。根据Brookhaven博士后研究员Hanyu Wei的所说：第一个“D”是对波形随时间变化的一种常见的数学分析，第二个“D”考虑了感应信号在多根导线间的长期影响。通过识别信号中特定的“感兴趣区域”，科学家们还可以通过反褶积技术降低低频噪声的放大。
MicroBooNE是第一个能够在LArTPC的三线平面上匹配被检测电子数量的探测器。科罗拉多州立大学(Colorado State University)教员曾在布鲁克海文实验室担任博士后研究员的迈克尔·穆尼(Michael Mooney)说：既然每个导线平面都能探测到相同的漂移电子簇，就可以期望从每个平面测量到相同的电荷量，但是由于感应线圈平面上信号的复杂性，以前还没有LArTPC探测器能够做到这一点。我们的数据驱动的演示表明，在LArTPC上进行局部平面电荷匹配是可行的，这为新型的重构技术打开了大门，这种技术的目的首先是创建一个中微子-氩相互作用的三维图像，并可以极大地提高我们精确确定中微子性质的能力。
模拟与数据
MicroBooNE团队还开发了对预期的TPC信号和噪声(考虑到前面提到的远程感应效应和在导线区域内确切的漂移电子位置)进行了显著改进的模拟，并使用这些新的模拟来定量地评估他们的信号处理算法。将模拟结果与从真实数据中提取的结果进行比较，得到了一致的结果，这是将探测器用于物理研究的关键一步。布鲁克海文实验室的物理学家张超说：新的模拟和数据之间的一致性让我们有信心在基本层面上理解探测器，这对即将到来的微boone物理学分析至关重要。
校车大小的MicroBooNE时间投影室。图片：Fermilab
布鲁克海文实验室的物理学家布雷特·韦伦指出：能够对来自LArTPC电线的噪音和信号进行更精确的模拟，使我们能够验证重建技术，并定量地评估它们的效率。这些改进还将促进这些模拟和现代机器学习技术的使用，这些技术必须具有模拟真实的训练集，以提高LArTPC探测器的准确性。该团队已经开发了用于信号处理算法和改进的信号和噪声模拟的软件，在“线单元工具包”中。这个软件包可以运行在传统的中央处理器(CPU)计算架构上，也可以配置为高性能计算(HPC)系统的高度并行架构。
所有这些在信号处理、仿真和数据模拟对比方面的成就使我们更接近实现LArTPC探测技术的全部潜力，现在期待着来自MicroBooNE内激动人心的结果。此外MicroBooNE的进展为探测和信号处理技术奠定了基础，这些技术将用于更大型的LArTPC探测器，包括为DUNE开发的，计划在本世纪20年代中期上线。对于DUNE来说，费米实验室的长基线中微子设施将从伊利诺斯州向南达科塔的一个深埋地下的旧金矿发射一束中微子。在洞穴中，多达4个探测器将建立在总线大小的微boone的能力之上，通过拥有一个巨大的容器，每个容器体积都是能够将微粒位置固定在几毫米以内的体积的100倍。LArTPC探测器是唯一能在如此大范围内达到这种精度的技术，这就是真正具有革命性的原因！
博科园-科学科普｜参考期刊：Journal of Instrumentation｜来自：布鲁克海文国家实验室
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