ProtoDUNE：三年冲刺后的成功

当科学家们计划建造一个新的粒子探测器时，他们会进行模拟，以了解粒子相互作用的样子。在构建和启动真实事物之后，他们期望进行一段时间的调整，调整，摆弄和修复以使事情顺利进行。他们通常不希望打开探测器，看到质量超过其理想模拟的粒子轨迹，特别是当它是原型探测器时。

还有ProtoDUNE。

能源部的费米实验室科学家，今年秋天推出的第一台ProtoDUNE探测器的协调员弗拉维奥卡瓦纳说：“这太棒了，电路更整洁，电子设备噪音低于我们的预期。” “整个技术按照我们的意愿运作，这超出了人们的梦想。”

在 深层地下中微子实验 (DUNE)是一个国际化的努力解开粒子-中微子，这可能把握关键物理学中的最大的未解之谜之一的奥秘：为什么事情存在于宇宙中。虽然DUNE探测器模块最终将大20倍，但第一台原型探测器ProtoDUNE-SP仍然是有史以来最大的液氩中微子探测器 - 这是确保DUNE按预期工作的关键一步。

对于Cavanna和来自北美，拉丁美洲，欧洲和亚洲的DUNE机构的数百名其他人来说，这些卓越的成果是三年辛勤工作和充实夜晚的结晶。在那么短的时间内，一支国际人民团队不得不联合起来; 将一块土地变成一个实验设施; 建造建筑物，基础设施和巨大的低温容器; 并且设计和制造用于房屋大小的探测器的部件，该探测器将被装配在该容器内部，就像装在瓶子中的船一样。

欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心的探测器组装和运行协调员Roberto Acciarri说：“你建造了一个探测器，但在你看到第一个轨道之前就不知道它是否真的有效。” “你内心总是有这么小的怀疑：这真的有效吗?”

深夜电话

2015年12月，Cavanna在工作。一天晚上，他接到了费米实验室主任的电话询问他是否想成为新探测器的协调员。卡瓦纳说，当时只有少数事情是肯定的。

首先，新实验得到了欧洲核子研究中心和费米实验室的批准，欧洲核子研究中心同意它可以生活在中微子平台上，这是一个全新的实验设施。探测器将使用氩气，这是在我们呼吸的空气中发现的元素，在非常冷的温度下变成液体。它将作为两个试验床之一(均称为ProtoDUNE)，用于Fermilab托管的深地下中微子实验中使用的技术。

其次，虽然来自世界各地的许多机构已正式签约参加DUNE，但尚未确定和组织一个致力于ProtoDUNE的全面科学社区 - 并且对于构建如此巨大尺寸和范围的探测器至关重要。

最后，有一个迫在眉睫的最后期限：理想情况下，探测器将在2018年秋季在CERN的粒子加速器复合体长时间关闭开始之前启动并运行。这是团队使用CERN的质子束进行额外测量的唯一方法在探测器中。

“时间表非常紧张，”费米实验室科学家Gina Rameika说道，他是ProtoDUNE的建筑协调员。“每个人都知道时间表几乎是不可能的。我们必须安装并扣上它以便用液氩填充并取出光束。“

所以他们开始工作了。

把它做得更大

将世界上最大的液氩探测器放在一起需要聪明的头脑和帮助。第一步是确定并说服科学家和工程师，他们愿意在未来三年内将ProtoDUNE-SP作为他们的世界中心，作为一个全球团队共同努力。

“DUNE被构思并成立为国际项目。这是行星，“卡瓦纳说。人们从北美，欧洲，拉丁美洲和亚洲的机构签署了ProtoDUNE-SP。“ProtoDUNE在技术上是DUNE的原型，但也从这种协作结构的角度来看。”

当然，ProtoDUNE-SP不是有史以来第一个液氩探测器。该技术是ICARUS探测器的大规模开创性的，该探测器于2010年至2013年在诺贝尔奖获得者Carlo Rubbia的领导下，在核物理研究所的Gran Sasso实验室进行。该团队还可以研究其他液氩实验，例如Fermilab的MicroBooNE和LArIAT。

“我们从之前的努力中获得了坚实的基础，但DUNE将采用液氩技术进行尚未开发的多千吨级技术，”CERN的ProtoDUNE高压财团召集人Francesco Pietropaolo表示。“我们知道ProtoDUNE对我们测试新技术至关重要，看看我们如何扩展到DUNE所需的更大容量。”

随着全球各地的团队做出设计决策和模型并最终开始制作他们的个人作品，CERN正在进行建设，Marzio Nessi担任CERN Neutrino平台的负责人。树木繁茂的土地被改造，因为工作人员扩建了附近的设施，并雕刻出一个巨大的坑，ProtoDUNE-SP及其姐妹探测器将在那里居住。欧洲核子研究中心的专家建立了一个可以在粒子束中漏斗的光束线。

在坑内，焊工开始在巨大的红色钢架上工作，外部结构将容纳容器和检测器组件以及捕获粒子相互作用所需的液态氩。研究人员调整了算法并构建了软件和硬件，当光束中的粒子撞击探测器中的氩核时，这些软件和硬件将捕获电子信号。事情开始走到了一起。

ProtoDUNE-SP的碎片开始从世界各地流入。来自威斯康星大学麦迪逊分校物理科学实验室的研究人员发送了六个关键部件中的第一个，称为阳极平面组件，记录颗粒相互作用的特殊电线板。2017年7月14日，卡瓦纳坐在欧洲核子研究中心那个非常大的APA运输箱前面，想知道他们将如何在他们严格的截止日期之前生产，测试和安装五个，比未来一年多一点。球队进入了高潮。探测器部件越来越快。

拉米卡说：“有传言称我们永远不会制定时间表，我们很幸运能够投入两个APA。” “我们被驱使证明我们可以提供所有这些，而且我们做到了。”

威斯康星州和英国科学技术设施委员会支持的一组大学的APA运送到了。团队测试了探测器组件，然后将它们通过钢结构中的狭窄开口滑动到内部空间，一次只有少数人可以工作。将脆弱的光传感器添加到APA中。电子产品汇集在一起​​，电缆被串起，很快，容器侧面的临时入口被焊接完毕。

为完成最终安装，技术人员通过屋顶直径为1米的检修孔滑入探测器。欧洲核子研究中心的低温专家用800公吨液态氩填充探测器并打开净化器，让探测器循环清除液体并去除任何杂散的非氩材料。如果出现问题，内部组件将从任何救援中切断。几乎八周后填充完成后，ProtoDUNE科学家检查了设备。欧洲核子研究中心的粒子加速器操作员向探测器发送质子流，研究人员调高了高压系统的功率。

卡瓦纳说：“这一关键步骤开始了，这让我每晚都能保持三年。” “这是将探测器变为现实的时刻，我不知道会发生什么。”

卡瓦纳说，电流以高达180,000伏的电压流过高压系统 - 正如它应该做的那样，“就好像它会写在教科书中一样”。 显示屏上出现了粒子轨道，不久之后，庆祝香槟在CERN的ProtoDUNE控制室流淌。世界各地的人们都在为视频连接辩护。

不间断的数据

当光束时间有限时，每秒钟都会计数。来自加速器的颗粒每周七天，每天24小时轰击ProtoDUNE探测器，但关闭光束以准备长达2年升级到CERN加速器复合体的最后期限迫在眉睫。

“当你有光束的时候，你基本上把你的生活放在一边，”Acciarri说。“你一直在思考并确保一切正常。这是非常紧张的。“

经过光束和探测器调整，在10月2日至11月12日期间，ProtoDUNE-SP研究人员收集了超过400万个关于粒子相互作用的华丽图像。来自参与机构的成员在控制室进行轮班，以确保系统按预期运行并观看数据。

“这是我们第一次使用液态氩探测器进行实时三维事件显示，”数据重建和分析小组的共同召集人Tingjun Yang说。从用于另一个中微子实验MicroBooNE的数据分析的软件开始，多个小组合作创建了一个包，将实时数据转换为正确的格式，以便快速的三维图像，研究人员可以使用它来监测探测器。

“我们认识到这是DUNE想要使用的一个非常强大的工具，”杨说。“我们开发了它，数据有效。它非常漂亮。“

在运行过程中，研究人员收集了有关各种不同粒子的数据，这些粒子可能来自探测器中的中微子相互作用：π介子，高斯，光子，电子，质子等。由于ProtoDUNE-SP位于地球表面，它还可以看到大量的宇宙射线，最终的DUNE探测器无法从南达科他州桑福德地下研究设施的一英里深处的家中看到。

“这使得ProtoDUNE成为探测器和重建能力的重要压力测试，”杨说。如果在ProtoDUNE上测试的软件能够处理大量的粒子相互作用，那么对于更加宁静的DUNE环境来说，它几乎会被高估。费米实验室的加速器复合体将通过800英里的地球发送数万亿的中微子，但远处的探测器每天只能看到少数几个。然而，需要ProtoDUNE-SP强大的数据处理能力来搜索罕见的亚原子现象，例如假设的质子衰变。它还确保DUNE可以在几秒钟内处理成千上万的中微子相互作用，例如，如果一颗恒星在银河系中爆炸

“这项技术就在这里，它已经为DUNE做好了准备，”Acciarri说道。“我们将利用这个机会改变硬件和软件方面的一些事情，使事情变得更加顺畅，但我相信我们达到的目标超出了我们的预期或者要求这个探测器显示出来。”

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