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为DUNE设计探测器

时间 :2023-07-27 18:00:19 来源 : 互联网

宇宙中最丰富、质量最大的粒子可能是您从未听说过的粒子：中微子。这些粒子就在我们周围——甚至流过我们——尽管它们几乎从不与其他粒子相互作用。它们非常轻且相互作用微弱，以至于没有人记录它们的质量。

(资料图片)

物理学家——包括太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员克里斯·杰克逊和埃里克·丘奇——相信中微子可以回答有关物质产生的关键问题。作为深层地下中微子实验(DUNE)的一部分，杰克逊和丘奇以及来自38个国家的1,700多名其他科学家对这些粒子进行了研究。一个国际科学家团队旨在通过DUNE构建超灵敏探测器来了解这些难以捉摸的粒子。杰克逊、丘奇以及大学和国家实验室合作者团队最近发表了一篇论文，详细介绍了一种新探测器可以进行微调的设计，以提高对物理的敏感性，超越原始的DUNE概念。他们在一位有抱负的高中物理老师的帮助下进行了模拟，以检查探测器的能力。他们的研究结果发表在《物理学杂志G》上，该杂志的编辑选择了这篇论文作为封面文章。

为沙丘做准备

研究微小颗粒需要一些大型设备。当DUNE完全建成后，中微子将在位于伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室(Fermilab)的长基线中微子设施开始它们的旅程。他们将穿过一个探测器(“近探测器”)，然后行驶大约800英里，到达南达科他州利德市桑福德地下研究设施的一个更大的探测器(“远探测器”)。

DUNE的远距离探测器由四个不同的模块组成，每个模块的大小大约是奥林匹克游泳池的三倍。这些模块总共可容纳近70,000吨液氩。氩的大原子核与中微子束相互作用，产生探测器可以识别的独特信号。

这就是Jackson和Church的用武之地。他们设计了SLoMo(桑福德地下低背景模块)作为拟议的新探测器设计。SLoMo具有额外的屏蔽、严格的放射性背景控制和增强的光检测功能，使其模块比DUNE的前两个计划模块更强大。具体来说，SLoMo设计增强了DUNE对费米实验室产生的中微子束以外的来源发射的中微子的敏感度。SLoMo设计使DUNE能够研究超新星爆炸中的中微子以及太阳发射的中微子。

“放射性背景噪音——比如来自周围岩石的中子——会干扰中微子信号，”杰克逊说。“控制放射性背景是我们在PNNL做得非常好的事情。我们想看看如果我们能够控制《沙丘》中的放射性背景，我们可以做多少额外的物理工作。”

“PNNL带来了低背景专业知识，以扩大DUNE探测器的物理范围，”丘奇说。“我们的模块提案是独一无二的，因为我们进行了大量模拟，以准确找出我们的探测器能够进行哪些物理测量。”

PNNL高能物理项目部门经理约翰·奥雷尔(JohnOrrell)表示：“克里斯和埃里克为领导社区建立更强大的科学实验所做的工作令人印象深刻。”“他们正在帮助高能物理学界以定量的方式了解DUNE可以实现多少更多的科学成果。”

从沙丘到教室

为了帮助他们运行模拟来测试SLoMo，Jackson和Church聘请了SylviaMunson，她当时是一名高中物理老师，当时她正在读大学三年级。Munson通过PNNL参与的STEM教师与研究(STAR)项目开始了她的研究之旅。

作为PNNLSTEM教育办公室STAR夏季研究项目的一部分，Munson于2020年和2021年与Jackson和Church合作。她进行了一些积分模拟，展示了SLoMo的功能，并为她赢得了《物理学杂志G》出版物的作者身份。

由于在PNNL实习项目中获得了积极的经验，Munson鼓励她的高中物理学生尽早参加暑期研究项目。她甚至将PNNL研究的内容纳入她的课程中。

“作为第一代大学生，我从未梦想过自己会参与这样的事情，”蒙森说。“现在我鼓励大家申请。”

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