在国际中微子实验的原型中看到的第一个粒子轨迹

世界上最大的液氩中微子探测器刚刚记录了它的第一个粒子轨迹，标志着国际深地中微子实验(DUNE)故事新篇章的开始。

DUNE的科学使命致力于揭开中微子的神秘面纱，中微子是宇宙中最丰富(也是最神秘)的物质粒子。中微子都在我们周围，但我们对它们知之甚少。DUNE合作的科学家认为，中微子可能有助于回答物理学中最紧迫的问题之一：为什么我们生活在由物质主导的宇宙中。换句话说，为什么我们在这里。

巨大的ProtoDUNE探测器 - 三层楼房的大小和巨大立方体的形状 - 是在欧洲粒子物理实验室CERN建造的，是两个原型中的第一个DUNE项目由美国能源部在美国的费米国家加速器实验室主办。当第一个DUNE探测器模块在2026年记录数据时，它们将比这些原型大20倍。

这是CERN首次投资美国粒子物理项目的基础设施和探测器开发。

第一台ProtoDUNE探测器用了两年时间建造，八周时间用800吨液态氩填充，需要保持温度低于-184摄氏度(零下300华氏度)。探测器记录了氩气中的粒子痕迹，包括宇宙射线和CERN加速器复合体产生的光束。现在已经看到了第一批轨道，科学家将在接下来的几个月内操作探测器，以深入测试该技术。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导了ProtoDUNE光束窗系统的设计，制造和安装。光束窗口允许来自CERN光束线的带电粒子注入液氩低温恒温器内。

“这是我建造的最具挑战性的设备之一，”物理部门伯克利实验室的科学家Cheng-Ju Stephen Lin说道，自2014年以来一直致力于ProtoDUNE。“它必须承受高压( 165千伏)，在低温环境中工作，由轻质材料组成，可最大限度地减少颗粒散射和能量损失。“

来自伯克利实验室工程部的Timothy Loew，William Waldron和Joe Wallig也为光束窗口做出了贡献：Loew设计了光束窗结构，Waldron致力于高压兼容性，Wallig设计了氮气过滤器和控制系统。

梁窗项目的一些主要组成部分是在伯克利实验室制造的。光束窗口于2017年夏天交付给费米实验室，并在2018年初交付给欧洲核子研究中心之前进行了几个月的测试。此外，伯克利实验室的研究员彼得·马迪根参加了他工作时的第一次观察在ProtoDUNE控制室。

“仅在两年前，我们在欧洲核子研究中心完成了新建筑，以容纳两个大型原型探测器，构成了DUNE的构建模块，”欧洲核子研究中心Neutrino平台负责人Marzio Nessi说。“现在我们有第一台探测器获取漂亮的数据，第二台探测器使用不同的液氩技术，将在几个月内上线。”

第一台ProtoDUNE探测器的技术将与美国第一个DUNE探测器模块相同，后者将在南达科他州桑福德地下研究设施的地下一英里处建成。来自非洲，亚洲，欧洲，北美洲和南美洲五大洲32个国家的1000多名科学家和工程师正致力于DUNE探测器的开发，设计和施工。2017年7月举行了将举行实验的洞穴奠基仪式。

英国曼彻斯特大学的DUNE联合发言人Stefan Soldner-Rembold说：“看到第一个粒子轨道是整个DUNE合作的一个重大成功。” “DUNE是世界上从事中微子研究的科学家最大的合作伙伴，旨在创造一个可以改变我们看待宇宙的方式的前沿实验。”

当中微子进入探测器并撞击氩原子核时，它们会产生带电粒子。这些粒子在液体中留下电离痕迹，这可以通过能够创建否则不可见的亚原子过程的三维图像的复杂跟踪系统看到。

CERN总干事法比奥拉·吉亚诺蒂说：“CERN为中微子平台的成功感到自豪，并热衷于成为DUNE的合作伙伴，以及来自其成员国及其他机构的大学。“ProtoDUNE的这些初步结果是世界各地实验室合作可以实现的一个很好的例子。DUNE的研究是对LHC和CERN其他实验所进行的研究的补充; 他们共同拥有巨大的潜力来回答今天粒子物理学中的一些突出问题。“

DUNE不仅会研究中微子，也会研究它们的反物质。科学家将寻找中微子和反中微子之间行为的差异，这可以为我们提供有关为什么可见宇宙由物质支配的线索。DUNE还将关注恒星爆炸时产生的中微子，这可能揭示中子星和黑洞的形成，并将研究质子是否永生或最终衰变。观察质子衰变将使我们更接近实现爱因斯坦的大统一理论的梦想。

“DUNE是中微子研究的未来，”费米实验室主任Nigel Lockyer说。“费米实验室很高兴能够举办一项具有巨大发展潜力的国际实验，并继续与CERN建立长期合作关系，包括DUNE项目和大型强子对撞机。”