幸运的是，物理学家已经开发出降低宇宙“噪音”的工具。
一个包括来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家在内的团队在最近接受发表在《物理评论应用》和《仪器杂志》上的两篇论文中描述了这种方法。这些论文证明了科学家们从美国能源部费米国家加速器实验室的 MicroBooNE 探测器中提取清晰的中微子信号的能力。该方法将类似 CT 扫描仪的图像重建与数据筛选技术相结合，使加速器产生的中微子信号在宇宙射线背景下以 5 比 1 的比例脱颖而出。
“我们开发了一套算法，可以将宇宙射线背景降低 100,000 倍，”帮助开发数据过滤技术的布鲁克海文实验室物理学家之一的张超说。他说，如果没有过滤，MicroBooNE 将在每次中微子相互作用中看到 20,000 条宇宙射线。 “这篇论文展示了消除宇宙射线背景的关键能力。”
MicroBooNE 联合发言人、耶鲁大学教授邦妮·弗莱明 (Bonnie Fleming) 说：“这项工作对 MicroBooNE 和未来的美国中微子研究计划都至关重要。它的影响将明显超出这种‘线细胞’分析技术的使用，甚至在 MicroBooNE 上也是如此，在 MicroBooNE 上，其他重建范式已采用这些数据分类方法来显着减少宇宙射线背景。”
追踪中微子
MicroBooNE 是构成费米实验室国际短基线中微子计划的三个探测器之一，每个探测器都位于与产生精心控制的中微子束的粒子加速器的不同距离处。这三个探测器旨在计算距离越来越远的不同类型的中微子，以根据光束中中微子的混合和已知的中微子“振荡”来寻找与预期的差异。振荡是中微子在三种已知类型或“味道”之间交换身份的过程。发现中微子数量的差异可能指向一种新的未知振荡机制——可能还有第四种中微子。
MicroBooNE 探测器的工作原理：中微子相互作用产生带电粒子并产生闪光。带电粒子电离氩原子并产生自由电子。电子在外部电场作用下向三个导线平面漂移，并在导线上感应出信号。导线从不同角度有效地记录了粒子活动的三个图像。闪光(光子)由线平面后面的光电倍增管检测到，它告诉相互作用何时发生。科学家们使用来自三个导线平面的图像和相互作用的时间来重建由中微子相互作用产生的轨迹以及它在探测器中发生的位置。插图：MicroBooNE
布鲁克海文实验室的科学家在设计 MicroBooNE 探测器方面发挥了重要作用，尤其是在探测器的超冷液态氩填充时间投影室中运行的敏感电子设备。当来自费米实验室加速器的中微子进入腔室时，中微子会时不时地与氩原子相互作用，将一些粒子(质子或中子)踢出其原子核，并产生其他粒子(μ子、介子)和闪光。被踢出的带电粒子使探测器中的氩原子电离，将它们的一些电子撞出轨道。沿着这些电离轨迹形成的电子会被检测器的灵敏电子设备接收。
“整个电子轨迹沿着电场漂移，并穿过探测器一端具有不同方向的三个连续的导线平面，”张说。 “当电子接近导线时，它们会感应出一个信号，因此每组导线都会从不同的角度创建轨迹的 2D 图像。”
与此同时，在中微子相互作用时产生的闪光被位于线阵列之外的光电倍增管接收。这些光信号告诉科学家中微子相互作用何时发生以及轨道到达线平面需要多长时间。
计算机将该时间转换为距离并将 2D 轨迹图像拼凑在一起，以重建探测器中中微子相互作用的 3D 图像。轨道的形状告诉科学家哪种中微子触发了相互作用。
“这种 3D 'Wire-Cell' 图像重建类似于使用计算机断层扫描仪进行的医学成像，”张解释说。在 CT 扫描仪中，传感器从不同角度捕捉身体内部结构的快照，然后计算机将图像拼凑在一起。 “想象一下，当一个人进入扫描仪时，粒子轨迹穿过三个线平面，”他说。
解开宇宙网
这听起来几乎很简单——如果你忘记了同时流过探测器的数千条宇宙射线。它们的电离轨迹也会通过扫描线漂移，产生看起来像缠结网的图像。这就是为什么 MicroBooNE 科学家一直致力于研究复杂的“触发器”和算法来筛选数据，以便他们能够提取中微子信号。
到 2017 年，他们在降低宇宙射线噪声方面取得了实质性进展。但即便如此，宇宙射线的数量还是比中微子轨道的数量多约 200 比 1。新论文描述了进一步降低这一比例的技术，并将其翻转到现在 MicroBooNE 中的中微子信号在宇宙射线背景下以 5 比 1 突出的程度。
第一步涉及将中微子相互作用中产生的粒子所揭示的信号与光电倍增管从该相互作用中拾取的精确闪光进行匹配。
MicroBooNE 时间投影室被装入容器容器中。安装在室后部的光电倍增管通过检测同时产生的闪光，有助于识别时间投影室中中微子产生的粒子轨迹。照片：费米实验室
“这不容易!”布鲁克海文实验室的物理学家钱新说。 “因为时间投影室和光电倍增管是两个不同的系统，我们不知道哪个闪光对应于探测器中的哪个事件。我们必须将每个光电倍增管的光模式与这些粒子的所有位置进行比较。如果您正确完成了所有匹配，您将找到一个 3D 对象，该对象对应于光电倍增管测量的单个闪光。”
布鲁克·罗素 (Brooke Russell) 作为耶鲁大学的研究生从事分析工作，现在是美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员，他回应了这些关于光匹配挑战的评论。 “考虑到电荷信息在某些情况下与光信息不完全互补，在单次读出的基础上，电荷-光配对可能存在歧义。团队开发的算法有助于解释这些细微差别，”她说。
尽管如此，科学家们还必须将每个轨道的时间与发射加速器中微子的时间进行比较(他们知道这个因素，因为他们控制加速器光束)。 “如果时间一致，那么可能是中微子相互作用，”钱说。
布鲁克海文团队开发的算法将比例降低到每六个宇宙射线事件一个中微子。
通过消除完全穿过探测器的轨迹的算法，拒绝额外的宇宙射线变得更容易一些。
“大多数宇宙射线从上到下或从一侧到另一侧穿过探测器，”研究该算法的布鲁克海文实验室博士后向攀说。 “如果你能确定轨道的入口和出口点，你就知道这是一条宇宙射线。由中微子相互作用形成的粒子必须从发生相互作用的探测器中间开始。”
这使得中微子相互作用与宇宙射线的比率达到 1:1。
应用“电荷-光”匹配算法之前和之后的示例电子-中微子事件。在 4.8 毫秒的事件记录期间，中微子相互作用通常与大约 20 条宇宙射线混合。将电线记录的中微子相互作用的“电荷”信号与光电倍增管记录的“光”信号进行匹配后，可以从宇宙射线背景中清楚地挑出它。在事件显示中，黑点来自电子-中微子相互作用，彩色点是背景宇宙射线。每个红色圆圈的大小显示了每个光电倍增管的匹配光信号强度。插图：MicroBooNE
一个额外的算法筛选出从探测器外部开始并在中间某处停止的事件——这些事件看起来类似于中微子事件，但方向相反。最后一个微调步骤排除了闪光与事件不匹配的事件，使中微子事件的检测与宇宙射线相比达到 5 比 1 的显着水平。
“这是我从事过的最具挑战性的分析之一，”领导分析工作的布鲁克海文实验室博士后研究员 Hanyu Wei 说。 “液氩时间投射室是一种新的探测器技术，具有许多令人惊讶的功能。我们不得不发明许多原创方法。这真的是一个团队的努力。”
张对这一观点表示赞同并说：“我们希望这项工作能够显着提高 MicroBooNE 实验在短基线上探索有趣物理的潜力。事实上，我们期待在所有三个短基线中微子探测器的实验中实施这些技术，以了解我们对中微子振荡的了解以及第四种中微子类型的可能存在。”
这项工作是由美国能源部科学办公室资助的。为MicroBooNE和其他短基线中微子实验创造中微子的费米实验室加速器综合体是美国能源部科学办公室的用户设施。
