Ученые создали ключевой элемент для нейтринного эксперимента DUNE

Международная команда физиков разработала уникальный фотонный детектор ArCLight, который станет ключевым элементом нейтринного эксперимента DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Исследования, посвященные этой технологии, были опубликованы в журнале Instruments в 2018 и 2024 годах.
Эксперимент DUNE направлен на изучение фундаментальных свойств нейтрино, включая параметры, которые могут помочь разгадать тайны структуры материи, например, иерархию фермионных масс. В рамках проекта детектор ArCLight используется в составе ближнего детектора, который состоит из 35 модулей, находящихся в криостате с жидким аргоном. Эти модули установлены стенка к стенке, что минимизирует зазоры. Каждый из них оснащается детекторами ArCLight, покрывающими внутренние поверхности. Такая компоновка позволяет максимально эффективно регистрировать фотоны.

Главная задача ArCLight — фиксировать сцинтилляционный свет, возникающий при взаимодействии нейтрино с жидким аргоном в камере. Уникальная особенность прибора — его способность работать непосредственно на стенках камеры, не влияя на электрическое поле.

Как работает ArCLight?
ArCLight представляет собой плоскую панель, почти полностью изготовленную из диэлектрика. Процесс регистрации света включает несколько этапов:
1) Первичное преобразование: слой тетрафенил бутадиена (TPB) поглощает ультрафиолетовое излучение и переизлучает его в синем диапазоне (пик при 430 нм).
2) Дополнительное преобразование: синий свет проходит через дихроичное зеркало и попадает в спектросмещающий полимер (WSL), который преобразует его в зеленый диапазон (пик при 490 нм).
3) Регистрация: зеленое излучение отражается от зеркала, направляется на кремниевый фотоумножитель (SiPM) и преобразуется в электрический сигнал.

Одной из главных задач при разработке ArCLight стало обеспечение его надежности в условиях резких перепадов температуры — от комнатной до -186 °C, соответствующей точке кипения жидкого аргона. При низких температурах полимеры становятся хрупкими, а несоответствие коэффициентов теплового расширения может привести к повреждению детектора.

Физики создали несколько прототипов детекторов размером от 5×5 см до полноразмерных модулей 30×50 см, необходимых для ближнего детектора DUNE. Фотонная эффективность приборов варьируется от 0,8% до 2,2%. Этот параметр показывает, какая доля фотонов, образованных при взаимодействии аргона с нейтрино, фиксируется детектором. Чем выше эффективность, тем меньшую энергию могут иметь частицы, которые регистрируются прибором. Высокая эффективность позволяет фиксировать частицы с широким диапазоном энергий, улучшая статистическую значимость результатов.

Одной из ключевых составляющих технологии ArCLight является покрытие TPB, которое преобразует ультрафиолетовое излучение аргона в синий свет. Эффективность детектора напрямую зависит от метода нанесения этого покрытия. Ученые сравнили два способа:
— С помощью аэрографа
— Методом испарения

Тесты проводились на установке с двумя идентичными детекторами, покрытыми разными способами. Источник ультрафиолетового света (270 нм) перемещался по поверхности с помощью роботизированной руки, сканируя 210 точек. Результаты показали, что метод испарения увеличивает фотонную эффективность в два раза.

Для серийного производства ArCLight разработаны методы проверки, основанные на имитации условий эксплуатации. Систематическое сканирование точечным источником света позволяет выявить дефекты и обеспечить стабильное качество приборов.
Создание ArCLight — важный шаг к успешной реализации эксперимента DUNE, приближающего нас к разгадке природы нейтрино и фундаментальных законов Вселенной.

Источник: Ученые создали фотонный детектор для нейтринного эксперимента DUNE — За науку