美国能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员与来自世界各地的合作者一起建造了一个原型中微子探测器，现在已经在费米国家加速器实验室(Fermilab)捕获了第一个中微子相互作用。

　　原型探测器将有助于在未来几年为费米实验室领导的国际深地下中微子实验(DUNE)微调DUNE近探测液氩(ND-LAr)探测器的全尺寸版本，同时帮助阐明一些特定的中微子性质。

　　研究人员还将使用探测器测试SLAC开发的先进机器学习技术，该技术有望在处理DUNE生成的大量数据中发挥关键作用。

　　科学家们还将使用来自原型的数据来研究电子中微子，这是已知的三种中微子之一。费米实验室的中微子束中几乎所有的中微子都是介子中微子，但每1000个中微子中只有一个是电子中微子。

　　“DUNE需要通过计算两种相互作用来测量介子中微子到电子中微子的振荡，”辛克莱说。“我们知道电子中微子的相互作用概率不同于介子中微子。2x2将使我们能够研究和验证新探测器识别和研究电子中微子相互作用的能力。”

　　田中说，虽然这个模块系统看起来很简单，但它面临着实际的挑战。它为探测中微子增加了很多障碍。长期担任SLAC机械工程师的克努特·斯卡尔帕斯八世和他的同事们设计了一种轻便、坚固、能承受极冷的液态氩温度的系统。

　　斯卡帕斯与伯尔尼大学和伯克利实验室的合作者一起研究了TPC模块的许多组件。当斯卡帕斯第一次听说这个探测器的原型时，他走到黑板前，画了一个可能的设计草图。许多年后，探测器看起来与最初的图纸几乎一模一样。

　　完成设计后，斯卡帕斯和他的团队专注于建造原型的静电场笼子，盒子里装着探测器的所有电子元件和液态氩气。这个笼子定义了原型的体积，所有东西都必须装进这个体积。

　　此外，该团队还必须在不接触任何其他金属部件的情况下，将高压阴极挤压到笼子中，该阴极将电离电子引导到阳极。如果金属接触到阴极，这可能会产生电弧，危及探测器设备。

　　也许建造过程中最困难的部分是选择合适的电缆。电缆为高压阴极供电，使整个探测器工作，它需要是直的，不能接触任何其他部分，并且由于探测器内部的低温，必须能够收缩到两英寸。如果电缆在如此寒冷的温度下弯曲，它可能会断裂。

　　Skarpaas和他的团队在SLAC的机械车间里呆了很长时间后，完成了组装，并将模块运送到伯尔尼大学进行测试。

　　斯卡尔帕斯说:“把探测器的所有部件放在一起就像担任管弦乐队的指挥。”“你必须了解每个人对他们的科学目标的需求，然后将这些需求融合在一起来建造探测器。”

　　DUNE的主要目标是通过研究中微子的性质来探索有关宇宙组成的一些最深奥的问题。要做到这一点，研究人员不仅需要捕获中微子相互作用，还需要理解这些相互作用产生的数据。

　　在原型探测器的情况下，每天由多达数千个中微子相互作用产生的数据对于科学家来说是不可能逐个图像地手动研究的。因此，研究人员发明了新的机器学习技术来处理这么多的数据。机器学习是一种人工智能，它可以检测大型数据集中的模式，然后使用这些模式进行预测并改进未来的分析。

　　SLAC研究员弗朗索瓦·德里尔斯马说:“通过眼睛，在探测器生成的单幅图像中可能很容易找到你需要的信息。”“但是教会机器完成这项任务是很困难的。有时会有这样的想法:如果某件事对人类来说很简单，那么对机器来说也应该很简单。但这并不一定正确。”

　　不过，人类还无法一次扫描数百万张图像。他们还在努力使用传统的编程技术来帮助识别探测器数据中的物体，因此Drielsma的团队开始研究一种名为神经网络的机器学习技术，这是一种大致模仿人类大脑的算法。

　　一旦神经网络接受了大量数据(无论是粒子相互作用还是天文图像)的训练，它就能自动分析其他复杂的数据集，几乎是即时的，而且精度很高。

　　这个项目每天都在改善，研究人员将在未来几年继续微调它的性能，而原型探测器正在收集数据。

　　Drielsma说:“训练这个程序准确地完成我们想要的一切将是一项艰巨的任务。”“但当事情变得困难时，它们真的很有趣。”

　　参与该项目的SLAC科学家詹姆斯·辛克莱(James Sinclair)说:“这个原型将非常重要，因为它是在DUNE运行之前可以获得的能量与DUNE光束相当的中微子束数据的唯一来源。”“我们很高兴能够完成实验中的这一关键步骤，现在我们已经准备好研究即将到来的数据。”

　　中微子是不同于其他粒子的基本粒子。它们可以穿过几乎所有看不见的物质，并且可以在途中改变形式——这种现象被称为中微子振荡。科学家们认为，更好地了解中微子不同寻常的特性，可能有助于回答一些最具挑战性的问题，比如宇宙中物质的起源和中微子质量的模式。

　　为了探测中微子，物理学家使用了所谓的时间投射室(TPC)——一个巨大的液化惰性气体储罐，比如氩气。当一个粒子从外部进入腔室时，会发生两件事。

　　首先，粒子和氩原子之间的相互作用会产生闪光，这种闪光被称为闪烁。其次，这种粒子可以把电子从氩原子中撞出来，使它们电离。tpc通常包括用于探测闪烁的光敏设备和一个电场，该电场将自由电子引导到探测器的一端，在那里——传统上——一个金属丝网将它们作为电流接收。

　　通过将闪光的细节与电子到达网格所需的时间进行比较，研究人员可以确定关键细节，包括他们正在拾取的粒子种类以及这些粒子的移动速度。

　　这个想法是用大量的氩气和相对较少的探测器设备捕获尽可能多的中微子相互作用，几乎所有的探测器设备都停留在这个体积的外围。

　　但是DUNE需要更多的东西，SLAC科学家田中宏说，他是DUNE近距离探测器的技术总监，也是SLAC DUNE项目的负责人。

　　与许多其他中微子实验不同，DUNE将产生非常大量的中微子，并将它们成群地发射到芝加哥郊外DUNE附近的探测器上。

　　在短短几微秒的过程中，科学家们期望在近距离探测器中看到多个中微子相互作用。问题是，所有这些相互作用使得很难分辨出哪个闪光属于哪个中微子，部分原因是大型液态氩气罐会分散和扩散每个闪光。

　　这也使得分辨哪个电子来自哪个电离事件变得困难，因为任何一个电子都需要几毫秒才能到达TPC的边缘，在此期间可能发生了许多相互作用。

　　正是出于这些担忧，新铸造的原型，被称为2x2探测器，诞生了。在一个层面上，这个想法很简单:与其使用一个巨大的TPC，不如将设备分成四个TPC模块，排列成一个2乘2的网格——因此得名。

　　每个模块实际上包含两个独立的氩气体积，中间有一个不透明的壁。这堵墙有效地创造了八个光学上独立的TPC储罐，这样就不太可能把一个中微子闪光误认为另一个。它还作为电场的来源，将电离电子吸引到探测器模块的两侧。

　　此外，每个模块都包含一个由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室开发的用于检测电离电子的新系统，该系统不仅可以捕获电子到达的时间，还可以精确地捕获电子到达的位置，与传统的基于电线的设计相反，在沙丘探测器附近的高交互速率环境中，每个电线平面提供的信息很难协调。

　　结合闪光，这将有助于研究人员首次确定中微子相互作用在三维空间中发生的位置。