一、應用背景

此前人們認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)的探測器對其進行研究。最新的中微子實驗裝置JUNO位于中國江門地下750米處，是由來自全球17個國家74所大學和國家實驗室的730名科學家合作完成，耗資4億歐元。TS-Spectrum高速數(shù)字化儀則被用于該實驗裝置的核心部分——液體閃爍體。

JUNO被精確地放置于八個現(xiàn)有的核反應堆之間，為研究提供了中微子源。它的核心是一個直徑為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會產(chǎn)生光子，并被一個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)大學和美茵茨大學的研究小組在高精度、實驗室規(guī)模的實驗中使用了TS-Spectrum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JUNO探測器在2024年底正式投入使用時，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)的認知。

二、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。在設備建造的過程中，所有工人都必須佩戴兩幅手套，因為指紋上的汗液有可能污染并毀掉整個項目。探測器被置放于地下750米處的專用實驗室內(nèi)，用以屏蔽四周的輻射。

當中微子與液體閃爍體（LS）相互作用時，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傳遞。如果能夠重構入射中微子的方向?qū)⒋笥旭砸妗碜灾形⒆映跏纪ǖ赖奈⑷醯哂卸ㄏ蛐缘那袀惪品蚬馔ㄟ^水與之匹配，將為物理學家的研究提供重要的信息。

慕尼黑工業(yè)大學和美茵茨大學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，以便同時進行能量和方向重構。于是，在Hans Steiger博士的率領下，研究團隊設計并建造了幾臺具有增強光收集能力和時間分辨率的精密臺式實驗裝置。

圖2.德思特Spectrum的M4i.2212-x8 PCIe數(shù)字化儀，采樣速度1.25 GS/s，能同時處理4個通道的數(shù)據(jù)

“我們之所以選擇TS-Spectrum的數(shù)字化卡是因為其卓越的性能。與市場同類產(chǎn)品相比，TS-Spectrum的產(chǎn)品不僅性價比更高，而且能夠定制化。”該項目的負責人Hans Steiger博士表示，“我們能夠通過TS-Spectrum產(chǎn)品的模塊式設計精準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)品還是標準的PCIe卡，這就意味著日后我們獲得更多預算時，能夠在標準的計算機機箱中擴展我們的系統(tǒng)。作為參與大型長期國際項目的大學，我們需要選用可靠的零部件。”

三、JUNO實驗結(jié)果推動天文學研究的發(fā)展

除了事件重構方面的工作外，該團隊還為JUNO添加了校準項目。該項目利用預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間范圍內(nèi)進行測量。此外，5V的動態(tài)范圍遠優(yōu)于市面上僅為1V的其他產(chǎn)品，這也意味著當我們的光電倍增管（PMTs）遇到3V脈沖時可以輕松應對。”美因茨大學的研究人員Manuel B?hles表示，“在制定最佳項目方案時，TS-Spectrum為我們提供了極大的助力。當我們遇到問題時，可以直接與TS-Spectrum的工程師進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研究的企業(yè)合作。”

圖3.用于慢速液體閃爍混合物的典型光發(fā)射動力學。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堆、太陽、地球中心或深空。“此前，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過程。通過對整個光譜上的光以及引力波的檢測，加之對具有高統(tǒng)計、高能量分辨率和方向性的中微子的加持，多信使天文學將邁入全新時代。”

審核編輯 黃宇