Sådan fungerer Deep Underground Neutrino -eksperimentet

Byggeriet til Amerikas næste fysikeksperiment med store partikler begyndte i sommer. Deep Underground Neutrino -eksperimentet, eller DUNE, vil studere nogle alvorligt spøgelsesagtige subatomære partikler. Det underjordiske eksperiment vil indebære at skyde en kraftig stråle neutrinoer gennem Jordens kappe - nå en maksimal dybde på 48 kilometer - og måske låse op for nogle af vores universs største mysterier i processen.

Eksperimentet, styret og finansieret af et internationalt samarbejde, vil strække sig over 800 miles (1, 300 kilometer), begyndende på Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Illinois, og slutter over en kilometer under jorden under en forladt guldmine i Lead, South Dakota. Når den er færdig, DUNE bliver en del af Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), en facilitet med to sider, der starter ved Fermilab i Illinois og slutter ved Sanford Underground Research Facility (SURF) i South Dakota.

Går dybere under jorden

Otte hundrede miles (1, 287 kilometer) sten er uden betydning for neutrinoer. Disse mærkelige subatomære partikler er fermioner, der har en meget lav masse og nul ladning. De bevæger sig tæt på lysets hastighed (da de er de laveste massepartikler, man kender til) og interagerer ekstremt svagt med normalt stof. De oversvømmer vores univers og rejser gennem alt på deres veje, om det er os eller miles af rock.

Hvordan ved forskere, at disse ting eksisterer, hvis de er så spøgelsesagtige? Det er her kryogene detektorer i bygningsstørrelse kommer ind. DUNE vil vedligeholde to underjordiske detektorer, en vil være i nærheden af ​​Fermilab -kilden (kendt som "nær detektor"), og den anden vil opholde sig i et kæmpe anlæg på SURF ("fjerndetektoren"). Efter en opgradering til Fermilabs faciliteter, verdens neutrino-stråle med den højeste intensitet, der nogensinde er produceret, vil blive ledt gennem nærdetektoren og krydse den fjerneste detektor-sammensat af fire massive, kryogen afkølede tanke med flydende argon. Hvor massiv? Hver tank vil være seks etager høj og en fodboldbane lang, og indeholder 18, 739 tons (17, 000 tons) overkølet flydende argon.

Hvad er der med argon? Godt, neutrinoer interagerer svagt, men de gør meget lejlighedsvis slå et direkte hit med atomkernerne i stoffet. Så, ved at rette en meget intens stråle af neutrinoer mod tilstrækkeligt store tanke af ultrarent argon, en meget lille andel af de spøgelsesagtige partikler vil, ved en ren tilfældighed, ramte argonatomerne. Når der opstår kollisioner, ultralydsfølsomme detektorer inde i tankene vil bemærke et blink (kendt som scintillation), og derefter kan interaktionen undersøges. Men da disse detektorer er så følsomme og interaktionerne er meget små, neutrinodetektorer er generelt begravet dybt under jorden for at beskytte dem mod interferens fra kosmiske stråler og anden stråling, der ville forårsage ødelæggelse, hvis de blev udsat for overfladen.

Disse svage interaktioner kan åbne vores øjne for ny fysik og vil øge vores forståelse af en af ​​de mindst forståede partikler i kvantefysik.

Lær Neutrinos at kende

Forskere kan lide neutrinoer af mange årsager. Her er en:De giver en direkte forbindelse mellem os og vores solkerne. Under atomfusionsprocesser, neutrinoer og højenergifotoner produceres. Fotonerne absorberes, når de kolliderer med det tætte solplasma og udsendes derefter igen ved en lavere energi (en proces, der gentager sig i op til en million år, før energien fra solkernen endelig bliver udsendt som lys, som vi ser), men neutrinoer skyder direkte fra solens kerne, gennem det tætte plasma og nå Jorden i et spørgsmål om minutter. Så, hvis fysikere vil vide om fusionsmiljøet i midten af ​​vores sol lige nu , de vil henvende sig til solneutrinoer.

Men der er et mystisk twist til solneutrinoer.

Så godt vi ved, neutrinoer findes i tre "varianter" - elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino - og deres antipartikler. Når neutrinoer rejser, de "svinger" mellem de tre varianter, som en kamæleon ville ændre farve som reaktion på farven på omgivelserne.

Solen er kun i stand til at generere elektronneutrinoer i sin kerne, imidlertid, så da fysikere satte sig for at opdage disse bittesmå genstande ved hjælp af de første ultrafølsomme detektorer i 1960'erne, de opdagede langt færre neutrinoer end teorien forudsagde. I Nobelprisvindende arbejde, fysikere fandt endelig årsagen. Det viser sig, at elektronneutrinoerne produceret ved solens fusion naturligt svinger mellem neutrino -smagene - elektron, muon og tau. Da detektorerne kun kunne observere elektronneutrinoer, muon- og tau -neutrinoerne blev uopdaget. Der var ikke en unormal mangel på solarelektronneutrinoer - de havde ganske enkelt skiftet smag, da de nåede detektoren.

Hvilket bringer os tilbage til DUNE. Vi har brug for et kontrolleret eksperiment på Jorden som DUNE for at forstå disse smagsændringer. Under forsøget, smagen af ​​neutrinoerne, der produceres af Fermilabs partikelaccelerator, måles, så snart de sendes til den konverterede guldmine i South Dakota. De modtagne neutrinoer på SURF kan derefter sammenlignes med dem, der blev sendt, og en ny forståelse om neutrinoers kvantekarakter kan blive smedet. Forskere vil nøjagtigt måle masserne af disse neutrinoer. De kan endda afsløre andre neutrinoer ud over de kendte tre varianter.

Men vent, Der er mere. Meget mere

DUNE vil gå langt ud over at studere neutrinooscillationer. Det kunne hjælpe os med at forstå det ikke så lille mysterium om hvordan vores univers overhovedet eksisterer . Det kan lyde som et filosofisk problem, men det faktum, at vores univers består af hovedsagelig stof og ikke antimateriale, er et af de største spørgsmål, der truer over moderne videnskab.

Under Big Bang, for omkring 13,8 milliarder år siden, stof og antimateriale skulle have været skabt i lige dele. Selvfølgelig, vi ved alle, hvad der sker, når stof og antimateriale mødes - det eksploderer, eller tilintetgør, efterlader intet andet end energi. Så, hvis Big Bang producerede lige dele stof og antimateriale, der ville ikke være noget her.

Det faktum, at vi ER her betyder, at universet producerede lidt mere stof end antimateriale, så da al denne tilintetgørelse skete ved universets fødsel, sagen vandt frem og antimateriale blev en ekstrem sjældenhed. Det betyder, at nogle grundlæggende fysiske love blev brudt ved Big Bang, en gåde, som fysikere kalder en overtrædelse af symmetri med ladningsparitet-eller en "CP-krænkelse". Partikelacceleratorer som Large Hadron Collider kan teste, hvorfor naturen favoriserer noget frem for antimateriale, og DUNE vil gøre dette, også, ved at eksperimentere med neutrinoer og deres antimatterpartner, antineutrino.

Neutrino -strålen på Fermilabs produktionsanlæg forventes at være i drift inden 2026, og konstruktionen af ​​den endelige DUNE-detektor forventes at være færdig i 2027. Håbet er stort, at vi kan være på nippet til endnu en Higgs-lignende opdagelse.

Hvis du planlægger at producere verdens højeste intensitet neutrino stråle nogensinde, du bliver nødt til at få et par forskere. DUNE har samlet 1, 000 samarbejdspartnere fra 30 forskellige lande. Med disse tal, det slutter sig til rækken af ​​de virkelig store eksperimenter, hvoraf flere udføres på Large Hadron Collider.