起重机将连接在低温容器顶部的电荷读出平板吊装到到容器上

最近几个月来，欧洲核子研究中心的中微子研究设施一直在繁忙运营。来自世界各地的科学家、工程师和技术人员聚集在那里，组装一个新粒子探测器的大型原型机进行中微子研究。中微子是宇宙中最神秘的粒子类型之一。

由美国能源部费米国家加速器实验室主办的国际深部地下中微子实验(DUNE)的研究人员希望能解决这些谜团。他们在欧洲核子研究中心的原型探测器上的工作，离实现这一目标又近了一步。

深部地下中微子实验(DUNE)所需的基础设施十分庞大，包括费米实验室的一个新的粒子加速器，它将产生一束中微子束，穿过1300公里的地球，然后到达南达科他州的桑福德地下研究设施。经过太阳辐射，这些粒子将被DUNE远探测器接收。

DUNE是一个巨大的地下探测器，位于地表以下1.5公里处。该探测器将由包含氩气的巨大探测器模块组成，氩气具有高度的稳定性，使其非常适合研究中微子。远探测器的地下洞穴挖掘已完成约60%。

测试新技术

DUNE合作的成员包括来自35个国家的科学家和工程师，他们忙于设计、测试和建造安装在SURF的前两个DUNE探测器模块的组件。模块一将是一个水平漂移探测器，它是已经过试验和测试的技术，将被放大为DUNE。这第一个模块组件的大批量生产已经开始。第二个模块，被称为垂直漂移探测器，将采用新技术。目前，测试已经持续了两年。

美国能源部布鲁克黑文国家实验室的垂直漂移探测器技术协调员史蒂夫·凯特尔表示：“我希望水平和垂直漂移探测器都能产生令人兴奋的物理效果。但垂直漂移技术为建造成本更低、更容易安装的额外探测器提供了重大机会。”

水平与垂直

在基础水平上，水平和垂直漂移探测器的工作方式是相同的。当一个中微子与探测器充满液态氩的腔室内的氩原子相互作用时，在这种相互作用中产生的粒子会释放出电子。探测器室相对两侧之间的强电场将这些松散的电子推到阳极上，阳极是一个检测带电粒子到达的大型结构件。在水平漂移探测器中，电场存在于两个相对的壁之间，电子水平漂移;在垂直漂移探测器中，电场在探测器的底部和顶部之间运行，电子垂直漂移。氩-中微子的相互作用也会产生短暂的闪光，两个探测器都用单独的光子探测系统捕获。

“从根本上说，垂直漂移和水平漂移并没有什么不同。”凯特尔解释，“我们正在以本质上相同的方式探测中微子事件。”

区别体现在细节上。水平漂移探测器的阳极由大平面紧密缠绕的导线组成，称为阳极平面组件，或APA。它们高6米，宽2.3米。另一方面，垂直漂移探测器的阳极将由电荷读出平面或CRP组成。它们是大型的穿孔印刷电路板，尺寸为3米，宽3.5米，表面布有铜箔线。就像APA中的电线一样，CRP中的铜箔线也会收集漂移的电子。

DUNE垂直漂移探测器的电荷读出平面的特写

DUNE垂直漂移探测器将在顶部和底部采用多层CRP。CRP联盟领导人、法国国家科学研究中心的物理学家多米尼克·杜奇斯诺表示：“CRP有2.5毫米的孔，这样电荷就可以穿过并进入另一层进行收集。”他补充道，“每个CRP层都有不同取向的铜箔线，这让你有可能看到电子的多个视图。”

CRP的一个关键优势是，因为它们是由简单的镀金属电路板而不是紧密的线圈制成的，所以它们比APA更便宜，更容易制造和安装。

凯特尔说：“使用垂直漂移探测器，我们正试图证明可以制造一种价格较低、工作效果同样好的探测器。”

因为垂直漂移检测器技术比水平漂移需要更少的元件，所以它提供了更大的有效体积。西班牙能源、环境和技术研究中心的DUNE物理协调员伊内斯·吉尔-博特拉表示，”更大的有效体积意味着将有更多的空间可以收集粒子相互作用。正在最大限度地提高在这种液态氩中看到中微子相互作用的可能性。”

另一项创新是DUNE科学家计划为垂直漂移探测器建造的光子探测系统，这是为第一个DUNE远端探测器模块开发的ARAPUCA(捕鸟器)技术的升级。这个新系统将覆盖所有四个低温恒温器壁以及带有光子探测模块的阴极。(相比之下，在水平漂移探测器中，光子探测器仅嵌入APA平面中，位于电线后面。)为了给设置为300千伏高压阴极上的光电传感器供电并读出光电传感器，垂直漂移团队使用了一种通过光纤提供电能的强大激光器。

此外，垂直漂移探测器内的氩将掺杂氙，以增加粒子与液体中的原子相互作用时检测到的光子数量，并增强整个腔室中光检测的均匀性。博特拉表示，这些特征加在一起，将使这个光子探测系统更有能力探测低能量物理事件，例如由超新星或太阳中微子事件触发的事件。

忙碌的活动

DUNE垂直漂移探测器的团队来自世界各地。欧洲核子研究中心、法国、意大利、西班牙和美国都做出了重大贡献，但其成员也来自欧洲、亚洲和拉丁美洲的其他几个国家。“这在许多方面都取得了巨大进展。”凯特尔表示。

这个小组一直很忙碌。到目前为止，他们已经成功在一个50升充满液体氩的腔室中测试了32厘米乘32厘米的小型CRP，并配有阴极、电子和光子检测系统。凯特尔表示，这个早期的原型机能够以“良好的信噪比性能”从宇宙射线轨道中收集数据。他们还在欧洲核子研究中心的一个大型冷箱中测试了全尺寸、3米乘3.5米的CRP，包括阴极、电子器件和光子探测系统。

该团队已经证明，垂直漂移探测器的组件可以读出300千伏的信号——这是在全尺寸DUNE探测器中产生电场所需的高电压。他们还表明，电子可以漂移6米——电子在最终尺寸的模块中移动的最大距离——并使用CRP来接收这些轨迹。波特拉表示：“我们将面临的下一个重大里程碑是更大规模地将所有系统安装在一起。”

该团队目前正在欧洲核子研究中心的一个约小房子大小的大型低温容器中，将零件组装成一个更大的垂直漂移原型，被称为“垂直漂移模块-0”。这个原型将在探测器的顶部和底部包含两个全尺寸的CRP，阴极安装在中间，并配有一个先进的光子检测系统。

探测器上半部分被击中的电子会向上漂移到顶部的CRP层，下半部分产生的电子会向下漂移，直到它们到达底部的CRP层。CRP的研发由法国和欧洲核子研究中心领导，包括欧洲核子研究中心的顶层CRP和美国的底层CRP的建设。

该项目的研究人员的目标是在2023年春季完成垂直漂移原型探测器的安装。一旦完成，该团队将向探测器充满液体氩并打开它，这样科学家就可以观察通过它的粒子束和宇宙射线留下的轨迹。

最终，目标是让垂直漂移探测器的组件于2027年安装在南达科他州的一个大型洞穴中。

杜奇斯诺表示：“我真正希望看到的是在SURF的大低温恒温器上安装第一批CRP，这将在几年内实现。与此同时，我认为模块-0在垂直漂移的真实配置中运行和获取数据，是非常令人兴奋的一步。”