用于大型國際項(xiàng)目中微子識別的Spectrum高速數(shù)字化儀

此前人們認(rèn)為中微子粒子是沒有質(zhì)量的。直到近些年，人們才意識到中微子粒子質(zhì)量很小，并能在三種不同“味道”之間相互切換。這些被稱為“幽靈粒子”的中微子粒子通常能夠穿過大多數(shù)普通物質(zhì)而不被檢測到，因此人們常常需要借助專業(yè)的探測器對其進(jìn)行研究。最新的中微子實(shí)驗(yàn)裝置JUNO位于中國江門地下750米處，是由來自全球17個(gè)國家74所大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室的730名科學(xué)家合作完成，耗資4億歐元。Spectrum儀器的高速數(shù)字化儀則被用于該實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分——液體閃爍體。

JUNO主探測器位于地下750米的專用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。圖片中是尚未灌水的水池和中央腳手架。
在球體內(nèi)部放置了一個(gè)直徑為34.5米的丙烯酸球體，里面裝滿了液體閃爍體。在安裝時(shí)，白色的蓋子能夠保護(hù)敏感組件。

JUNO被精確地放置于八個(gè)現(xiàn)有的核反應(yīng)堆之間，為研究提供了中微子源。它的核心是一個(gè)直徑為34.5米的巨型且透明度極高的丙烯酸球體，里面裝有2萬噸經(jīng)過特殊處理的類似油性物質(zhì)。這種液體閃爍體與中微子相互作用時(shí)會產(chǎn)生光子，并被一個(gè)3.5萬噸的水池包圍。環(huán)繞球體的4.5萬余根光電倍增管（PMTs）能夠檢測到光子。慕尼黑工業(yè)大學(xué)和美茵茨大學(xué)的研究小組在高精度、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)中使用了由Spectrum儀器提供的M4i.2212數(shù)字化儀卡描述液體閃爍體，這對數(shù)據(jù)采集的要求非常高。當(dāng)JUNO探測器在2024年底正式投入使用時(shí)，它將成為人類建造的最大型的液態(tài)中微子探測器。該探測器將顯著提升我們對這些幽靈粒子之間相互作用以及性質(zhì)的認(rèn)知。

中微子探測器

丙烯酸球體的中央是一層被水包圍著的液體閃爍體。即使最少量的雜質(zhì)都可能含有放射性物質(zhì)，因此這兩者必須非常純凈。在設(shè)備建造的過程中，所有工人都必須佩戴兩幅手套，因?yàn)橹讣y上的汗液有可能污染并毀掉整個(gè)項(xiàng)目。探測器被置放于地下750米處的專用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用以屏蔽四周的輻射。

當(dāng)中微子與液體閃爍體（LS）相互作用時(shí)，能將相互作用的能量傳遞給該物質(zhì)的分子。液體閃爍體的巨大光輸出（通常 > 10.000 Photons / MeV）能夠確保能量的精準(zhǔn)傳遞。如果能夠重構(gòu)入射中微子的方向?qū)⒋笥旭砸?。來自中微子初始通道的微弱但具有定向性的切倫科夫光通過水與之匹配，將為物理學(xué)家的研究提供重要的信息。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)和美茵茨大學(xué)目前研究液體閃爍體的目的是將漫射光中的快而微弱的切倫科夫光分離出來，以便同時(shí)進(jìn)行能量和方向重構(gòu)。于是，在Hans Steiger博士的率領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并建造了幾臺具有增強(qiáng)光收集能力和時(shí)間分辨率的精密臺式實(shí)驗(yàn)裝置。

Spectrum儀器的M4i.2212-x8 PCIe數(shù)字化儀，采樣速度1.25 GS/s，能同時(shí)處理4個(gè)通道的數(shù)據(jù)

“我們之所以選擇Spectrum儀器提供的數(shù)字化卡是因?yàn)槠渥吭降男阅?。與市場同類產(chǎn)品相比，Spectrum儀器的產(chǎn)品不僅性價(jià)比更高，而且能夠定制化?！痹擁?xiàng)目的負(fù)責(zé)人Hans Steiger博士表示，“我們能夠通過Spectrum產(chǎn)品的模塊式設(shè)計(jì)精準(zhǔn)選擇所需的一切功能，無需為額外或附加功能買單。此外，這些產(chǎn)品還是標(biāo)準(zhǔn)的PCIe卡，這就意味著日后我們獲得更多預(yù)算時(shí)，能夠在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)機(jī)箱中擴(kuò)展我們的系統(tǒng)。作為參與大型長期國際項(xiàng)目的大學(xué)，我們需要選用可靠的零部件。Spectrum提供的五年質(zhì)保更令我們更加放心?！?/p>

JUNO實(shí)驗(yàn)結(jié)果推動天文學(xué)研究的發(fā)展

除了事件重構(gòu)方面的工作外，該團(tuán)隊(duì)還為JUNO添加了校準(zhǔn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用預(yù)先確定能量和入射方向的放射性伽馬和中子源來刻畫探測器材料。慕尼黑工業(yè)大學(xué)TUM小組的博士生Meishu Lu指出：“我們之所以能夠刻畫液體閃爍體是由于超高速轉(zhuǎn)化儀卡能夠在以皮秒為單位的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行測量。此外，5V的動態(tài)范圍遠(yuǎn)優(yōu)于市面上僅為1V的其他產(chǎn)品，這也意味著當(dāng)我們的光電倍增管（PMTs）遇到3V脈沖時(shí)可以輕松應(yīng)對?！泵酪虼拇髮W(xué)的研究人員Manuel B?hles表示，“在制定最佳項(xiàng)目方案時(shí)，Spectrum儀器為我們提供了極大的助力。當(dāng)我們遇到問題時(shí)，可以直接與Spectrum儀器的工程師進(jìn)行溝通并快速解決問題。很高興能和這樣一家致力于支持高校基礎(chǔ)研究的企業(yè)合作?！?/p>

用于慢速液體閃爍混合物的典型光發(fā)射動力學(xué)
圖中紅線代表切倫科夫光，緊隨其后的綠線代表較慢的閃爍光衰減

圖中顯示了切倫科夫輻射的第一脈沖，緊隨其后的是給出能量信息的閃爍信號。整個(gè)過程不到2納秒即可完成。借助這些信息就能確定粒子的類型及來源。這可能來自中國的反應(yīng)堆、太陽、地球中心或深空?！按饲?，我們從未通過閃爍探測器確切得知中微子來自何處。因此這為我們開辟了全新的研究領(lǐng)域?！?Steiger博士表示，“舉例而言，如果一顆垂死的恒星或所謂的超新星在天空中發(fā)出大量中微子。我們現(xiàn)在不僅可以看到這些中微子，還能以高精度重構(gòu)該爆炸發(fā)生的天空位置。我們很高興現(xiàn)在有這樣一臺望遠(yuǎn)鏡，能夠讓我們更好地了解不同的中微子源并更全面地了解整個(gè)過程。通過對整個(gè)光譜上的光以及引力波的檢測，加之對具有高統(tǒng)計(jì)、高能量分辨率和方向性的中微子的加持，多信使天文學(xué)將邁入全新時(shí)代。”