A REST-based Monte Carlo Simulation and Data Analysis Framework for the N$\nu$DEx Experiment

Diep in de aarde, onder de torenhoge bergen van westelijk China, bereiden wetenschappers zich voor om te luisteren naar een gefluister dat de mensheid al bijna tachtig jaar ontglipt. Ze jagen op een spookachtig evenement genaamd neutrinovrije dubbel bètaverval. Om te begrijpen waarom dit ertoe doet, moet men eerst een vreemde mogelijkheid over het universum accepteren: dat het neutrino, een minuscuul deeltje dat door alles heen gaat zonder een spoor achter te laten, zijn eigen antideeltje zou kunnen zijn. Als dit waar is, zou het de regels van de natuurkunde herschrijven en verklaren waarom het universum uit materie bestaat in plaats van een lege leegte van gelijke delen materie en antimaterie. Terwijl de standaardfysica voorspelt dat bepaalde zware atomen af en toe in twee protonen en twee elektronen zouden moeten splitsen terwijl ze twee onzichtbare deeltjes genaamd antineutrino's vrijgeven, zou de speciale versie van dit verval die de wetenschappers zoeken alleen de twee elektronen en verder niets vrijgeven. Het vinden van dit zeldzame evenement zou bewijzen dat neutrino's inderdaad hun eigen antideeltjes zijn, een ontdekking die de geheimen zou ontsluiten over de fundamentele aard van massa en het ontstaan van het kosmos.

Het NνDEx-experiment is de nieuwste en meest ambitieuze poging om dit ongrijpbare signaal te vangen. Het is ontworpen om een specifiek type atoom in de gaten te houden, selenium-82, wachtend tot één van de kernen deze verboden transformatie ondergaat. Het experiment zal plaatsvinden in het China Jinping Ondergrondse Laboratorium, een faciliteit die diep onder de rotsen is begraven om het af te schermen van kosmische straling en andere achtergrondruis die het zwakke signaal zou kunnen overstemmen. Het hart van de detector is een grote, hogedruk tank gevuld met een gas bestaande uit selenium en fluor. Wanneer een verval plaatsvindt, laat dit een spoor van geïoniseerd gas achter, vergelijkbaar met hoe een vliegtuig een condensspoor in de lucht achterlaat. De uitdaging is dat deze sporen ongelooflijk zwak zijn en gemakkelijk kunnen worden verward met ruis van natuurlijke radioactiviteit. Om dit op te lossen, hebben de onderzoekers een manier nodig om de vorm van het spoor met perfecte helderheid te zien, om het unieke kenmerk van een dubbel bètaverval te onderscheiden van de rommelige sporen die door gewone achtergrondstraling worden achtergelaten.

In dit werk heeft een team van onderzoekers een volledige digitale tweeling van de NνDEx-detector gebouwd om te testen of hun ontwerp daadwerkelijk zal werken voordat de fysieke machine zelfs maar klaar is. Ze gebruikten een geavanceerd softwareframework genaamd REST, dat is ontworpen om te simuleren hoe deeltjes bewegen en interageren binnen complexe detectoren. In plaats van de machine eerst te bouwen en op het beste te hopen, creëerden ze een virtuele versie waarin ze miljoenen nep-vervalgebeurtenissen konden genereren en kunnen zien hoe de detector zou reageren. Ze programmeerden de software om elk fysiek detail van het echte apparaat na te bootsen, van de dikke lagen lood en koper die de tank afschermen tot de specifieke manier waarop de gasmoleculen elektronen opvangen en deze in negatieve ionen veranderen. Ze simuleerden zelfs de drift van deze ionen door het gas, de manier waarop ze zich in de loop van de tijd verspreiden, en hoe ze uiteindelijk een rooster van minuscule sensoren aan het einde van de tank raken.

De simulatie onthulde dat het ontwerp van de detector in staat is het signaal met opmerkelijke precisie vast te leggen. De onderzoekers ontdekten dat het gas in de tank op een zeer specifieke manier reageert: wanneer een atoom vervalt, komen er elektronen vrij die snel worden gegrepen door gasmoleculen om twee verschillende soorten zware ionen te vormen. Omdat deze twee soorten ionen met iets verschillende snelheden bewegen, arriveren ze op verschillende tijdstippen bij de sensor, wat een duidelijk dubbelpiek-signaal creëert. Dit tijdsverschil werkt als een liniaal, waardoor de computer precies kan berekenen hoe ver de ionen zijn gereisd en waar het verval heeft plaatsgevonden. Door de vorm van het elektrische signaal te analyseren dat ontstaat wanneer deze ionen de sensor raken, ontwikkelde het team een methode om het oorspronkelijke pad van het verval met hoge nauwkeurigheid te reconstrueren. Ze testten deze methode op gesimuleerde gegevens en stelden vast dat het de energie van de gebeurtenis kon herstellen met een fout van minder dan één procent.

De resultaten van deze simulatie zijn een krachtig bewijs van vertrouwen in het NνDEx-project. De digitale tests toonden aan dat de detector de schone, scherpe sporen van een potentieel neutrinovrij dubbel bètaverval kan onderscheiden van de chaotische, rommelige sporen van achtergrondruis. De energieresolutie die in de simulatie werd bereikt, een maatstaf voor hoe precies de machine de energie van een deeltje kan meten, bereikte een niveau van 0,58 procent. Dit ligt ruim binnen de strikte vereisten die nodig zijn om het zeldzame verval op te sporen als het bestaat. De onderzoekers bepaalden ook de beste instellingen voor het filteren van elektronische ruis, om ervoor te zorgen dat alleen de meest significante signalen worden geanalyseerd. Door te bewijzen dat hun software deze gebeurtenissen succesvol kan volgen van het moment dat ze in het gas plaatsvinden tot de uiteindelijke digitale uitlezing, heeft het team een solide fundament gelegd voor de toekomstige constructie van het experiment.

Dit werk bewijst nog niet dat neutrinovrij dubbel bètaverval bestaat; die ontdekking zal pas komen wanneer de echte detector is gebouwd en begint met het verzamelen van gegevens. Echter, de simulatie bevestigt dat het NνDEx-experiment rust op een solide wetenschappelijke basis. Het demonstreert dat de combinatie van hoogdrukgas, precieze sensoren en geavanceerde data-analyse een machine kan creëren die gevoelig genoeg is om het zwakste gefluister van nieuwe fysica te horen. De weg van een theoretisch idee naar een werkende detector is lang en moeilijk, maar deze studie toont aan dat het blauwdruk correct is. Als de natuur mild is, en het verval plaatsvindt, zal het NνDEx-experiment klaar zijn om het te vinden, wat potentieel een antwoord geeft op een van de meest diepgaande vragen over het universum: waarom wij er überhaupt zijn.