在费米实验室组装过程中，MicroBooNE的时间投影室——中微子相互作用发生的地方。这个房间长十米，高两米半。来源:费米实验室
你如何在从太空流来的粒子“干草堆”中发现亚原子中微子?这是物理学家们用地球表面附近的探测器研究中微子的可怕前景。在这种非地下位置几乎没有屏蔽，通常寻找由粒子加速器产生的中微子的表面中微子探测器，受到宇宙射线的轰击——地球大气中来自更远宇宙位置的粒子流相互作用而产生的持续不断的亚原子和核粒子阵雨。这些大量的旅行者，主要是介子，创造了一个纵横交错的粒子轨迹网，可以很容易地掩盖一个罕见的中微子事件。
幸运的是，物理学家已经开发出了降低宇宙“噪音”的工具。
一个由来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家组成的团队在最近发表在《物理应用评论》和《仪器仪表学报》(JINST)上的两篇论文中描述了这种方法。这些论文展示了科学家们从美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)的MicroBooNE探测器中提取清晰中微子信号的能力。该方法结合了类似ct扫描仪的图像重建和数据筛选技术，使加速器产生的中微子信号在宇宙射线背景中以5:1的比例突出。
“我们开发了一套算法，可以将宇宙射线背景降低10万倍，”帮助开发数据过滤技术的布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)物理学家之一张超(Chao Zhang)说。他说，如果没有过滤，MicroBooNE每一次中微子交互作用就能观测到2万条宇宙射线。“这篇论文证明了消除宇宙射线背景的关键能力。”
MicroBooNE的联合发言人、耶鲁大学教授邦妮·弗莱明(Bonnie Fleming)说:“这项工作对MicroBooNE和美国未来的中微子研究项目都至关重要。它的影响将显著地超越这种“线细胞”分析技术的使用，甚至在MicroBooNE上，在那里其他的重建范例已经采用这些数据分类方法来显著地减少宇宙射线背景。
跟踪中微子
MicroBooNE是费米实验室(Fermilab)国际短基线中微子项目(Short-Baseline Neutrino program)的三个探测器之一，每个探测器都位于与粒子加速器不同的距离，粒子加速器会产生精心控制的中微子束。这三个探测器的设计目的是在越来越远的距离上计算不同类型的中微子，以寻找与基于光束中中微子的混合以及已知的中微子“振荡”所预期的差异。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。发现中微子计数的差异可能会指出一种新的未知振荡机制——也可能是第四种中微子。
左图:正在装入集装箱容器中的MicroBooNE时间投影室(TPC)。安装在腔室后部的光电倍增管(右图)通过探测同时产生的闪光，帮助识别由中微子在TPC中产生的粒子轨迹。右图:MicroBooNE探测器被放入费米实验室液体氩测试设施的主洞中
布鲁克海文实验室的科学家们在MicroBooNE探测器的设计中发挥了重要作用，特别是在探测器的超冷液体-氩气时间投影室中运行的敏感电子器件。当来自费米实验室加速器的中微子进入这个腔室时，每隔一段时间，一个中微子就会与一个氩原子相互作用，将一些粒子踢出它的原子核——一个质子或一个中子——并产生其他粒子(介子、介子)和一道闪光。被踢出的带电粒子使探测器中的氩原子电离，将它们的一些电子踢出轨道。沿着这些电离轨道形成的电子会被探测器的敏感电子设备接收到。
“整个电子轨迹沿着电场漂移，并通过探测器一端的三个不同方向的连续导线面，”张说。“当电子接近导线时，它们会产生一个信号，这样每一组导线就会从不同角度生成轨道的2D图像。”
与此同时，中微子相互作用时产生的闪光被位于线阵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，以及轨道到达导线平面需要多长时间。
计算机将时间转换成距离，然后将2D轨迹图像拼接起来，在检测器中重建出中微子相互作用的3D图像。轨道的形状告诉科学家，是哪种味道的中微子触发了这种相互作用。
“这种3D线细胞图像重建类似于用计算机断层扫描(CT)扫描仪进行的医学成像，”张解释道。在CT扫描仪中，传感器从不同角度捕捉人体内部结构的快照，然后计算机将图像拼接在一起。他说:“想象一下，当一个人进入扫描仪时，粒子轨迹穿过三个金属线平面。”
解开宇宙之网
这听起来很简单——如果你忘了同时通过探测器的成千上万的宇宙射线的话。它们的电离轨迹也在扫描线上漂移，产生的图像看起来像一个纠缠不清的网。这就是为什么MicroBooNE的科学家们一直在研究复杂的“触发器”和筛选数据的算法，以便提取中微子信号。
MicroBooNE探测器工作原理:中微子相互作用产生带电粒子并产生闪光。带电粒子使氩原子电离并产生自由电子。电子在外电场作用下向三个导线平面漂移，并在导线上产生信号。这些金属丝从不同角度有效地记录了粒子活动的三幅图像。闪光(光子)被线平面后面的光电倍增管检测到，这就告诉了相互作用何时发生。科学家们利用来自三层导线的图像和相互作用的时间来重建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。资料来源:布鲁克海文国家实验室
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多出约200倍。新的论文描述了进一步的技术来降低这个比率，并将其转变到MicroBooNE中的中微子信号与宇宙射线背景的比例为5:1。
第一步是将中微子相互作用中产生的粒子所显示的信号与光电倍增管从相互作用中接收到的精确的闪光相匹配。
“这可不容易!”布鲁克海文实验室的物理学家钱昕说。“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。如果你完成了所有的匹配，你会发现一个单一的3D物体对应着由光电倍增管测量的单一闪光。”
布鲁克·拉塞尔(Brooke Russell)曾在耶鲁大学(Yale)读研究生，现在是美国能源部(DOE)劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的博士后研究员，他对光匹配的挑战提出了类似的看法。“由于电荷信息在某些情况下与光信息不是完全互补的，在单读出基础上的电荷-光配对可能会有歧义。该团队开发的算法有助于解释这些细微差别，”她说。
尽管如此，科学家们仍然必须将每个轨道的时间与加速器中微子发射的时间进行比较(他们知道这个因素是因为他们控制着加速器光束)。“如果时间是一致的，那么可能是中微子相互作用，”钱说。
布鲁克海文研究小组开发的算法将中微子与宇宙射线事件的比率降低到每6个。
通过一种算法，消除完全穿过探测器的轨迹，拒绝额外的宇宙射线变得更容易一些。
一个应用“电荷-光”匹配算法前后的电子-中微子事件的例子。在4.8毫秒的事件记录中，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中微子相互作用的“光”信号进行匹配后，就可以从宇宙射线背景中清楚地分辨出来。在事件显示中，黑色的点来自电子-中微子相互作用，彩色的点是背景宇宙射线。每个红色圆圈的大小表示每个光电倍增管匹配光信号的强度。资料来源:布鲁克海文国家实验室
“大多数宇宙射线是从上到下或从一边到另一边穿过探测器的，”布鲁克海文实验室从事该算法研究的博士后纪祥潘(音)说。“如果你能识别出轨道的入口和出口，你就知道这是宇宙射线。由中微子相互作用形成的粒子必须从探测器中间开始，在那里相互作用发生。”
这使得中微子与宇宙射线的相互作用比例达到了1:1。
另外一种算法屏蔽了从检测器外开始、在检测器中间某处停止的事件——看起来与中微子事件相似，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达到了与宇宙射线相比的5比1的显著水平。
“这是我所做过的最具挑战性的分析之一，”布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)博士后研究员魏瀚宇(han - yu Wei)说。“液氩时间投影室是一种新的探测器技术，具有许多令人惊讶的特点。我们不得不发明许多独创的方法。这真的是一个团队的努力。”
张附和了这一观点，并说:“我们希望这项工作能够显著提高MicroBooNE实验在短基线上 探索 有趣物理的潜力。”事实上，我们期待着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和第四种中微子可能存在的了解。”
无痕之音
