Byggede en 1, 300 km langt underjordisk videnskabeligt eksperiment for at studere verdens mest undvigende partikler

I en forladt guldmine tæt på Deadwood, South Dakota, byggeriet er startet på det, der uden tvivl er verdens største videnskabelige eksperiment. Jeg er en del af et internationalt team på omkring 1, 000 forskere samlet for at designe og køre dette projekt - Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) - for at studere den mest rigelige, men alligevel undvigende stofpartikel i universet.

Derved, vi kan komme et skridt tættere på at forstå materiens oprindelse og til at færdiggøre videnskabens model for, hvordan universet fungerer. Derfor har den britiske regering nu forpligtet 65 millioner pund til projektet, hvilket gør Storbritannien til den næststørste bidragyder til projektet efter USA.

Partikelfysikere som mig er fascineret af neutrinoer på grund af deres usædvanlige egenskaber, som kan være direkte forbundet med fænomener, der kunne forklare universets struktur. Neutrinoer er en af ​​de grundlæggende partikler, der ikke kan opdeles i noget andet. De er overalt, men er enormt svære at fange, da de næsten ikke har nogen masse, er ikke ladet og interagerer sjældent med andre partikler.

Omkring 100 milliarder af dem rejser gennem vores fingerspidser hvert sekund, men næsten alle går gennem Jorden uden at efterlade sig spor. De fleste af disse neutrinoer stammer fra atomreaktioner, der driver solen. Neutrinoer kommer også fra kosmiske stråler, der rammer atmosfæren, eller eksploderende stjerner. De blev også produceret rigeligt lige efter universets fødsel.

Det betyder ved at studere neutrinoer og sammenligne dem med deres modpart "antineutrinos", vi kunne måske finde ud af, hvad der skete i starten af ​​universet, der betød, at det for det meste ville være lavet af stof og ikke antimateriale. Eksperimenter bygget til at opdage neutrinoer kan også hjælpe os med at finde ud af, om protoner henfalder, et vigtigt bevis for at bevise nogle forskeres idéer om, hvordan de fleste kræfter i fysik alle kan forklares ved hjælp af en "grand unified theory".

At gøre dette, DUNE vil affyre stråler af neutrinoer fra Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois, OS, langs en 1, 300 km underjordisk bane til Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Til sammenligning, den cirkulære Large Hadron Collider -partikelaccelerator, der bruges til at finde Higgs Boson, er kun 27 km i omkreds, selvom DUNE's partikler vil bevæge sig gennem jorden frem for en specielt konstrueret tunnel.

Opdagelse af neutrinoerne

Neutrinoer findes i tre typer eller "smag", som de kaldes:elektronneutrinoer, muon-neutrinoer, og tau-neutrinoer. Neutrinoerne, der forlader Fermilab, vil for det meste være muonsmage, men de kan ændre sig eller "svinge", mens de rejser. Det er at opdage disse svingninger, der vil give klare svar på spørgsmålene om neutrinoens natur og dens rolle i universet.

Neutrinoer kan detekteres ved at optage lyset, ladning og type partikel, de producerer, når de kommer i kontakt med visse væsker. Når hver neutrino ankommer, det vil skabe en partikel, der svarer til dens smag. En elektronneutrino, for eksempel, vil producere en elektron, mens en muon-neutrino vil producere en muon. Hvis vi kan registrere elektroner, ved vi, at muon-neutrinoer ændrede deres smag, mens de rejste.

DUNE vil bruge fire store tanke, der hver indeholder 10, 000 tons flydende argon holdt ved en temperatur på -186 ℃, at detektere neutrinoerne med meget større præcision end tidligere eksperimenter, der var mindre eller brugte tanke fyldt med vand. Eksperimentet skal finde sted cirka en kilometer under jorden for at beskytte detektorerne mod at blive overvældet af falske neutrinosignaler fra den kosmiske stråling, der bombarderer Jorden.

Den enorme følsomhed produceret ved at bruge denne metode vil også hjælpe med at opdage neutrino-udbrud fra rummet. For eksempel, i 1987 resulterede en nærliggende eksploderende stjerne (supernova) i, at alle neutrino-detektorer i verden registrerede 25 neutrino-begivenheder i alt. DUNE ville være i stand til at observere tusinder af neutrino -spredninger inden for en periode på cirka ti sekunder for en lignende supernova. At analysere sammensætningen og tidsstrukturen af ​​en sådan neutrinoimpuls ville revolutionere vores forståelse af supernovaer og neutrinoegenskaber.

Løsning af mysteriet om antimateriale

Alt dette skulle hjælpe os med at besvare flere centrale spørgsmål om neutrinoer, for eksempel om deres masse. Neutrinoer er så små, at deres masse sandsynligvis ikke er skabt af Higgs Boson, for nylig opdaget af Large Hadron Collider, på samme måde som de fleste andre elementarpartikler. I stedet, deres masse kan komme fra meget tunge partnerneutrinoer, der henfalder meget hurtigt efter dannelse.

Disse partnerneutrinoer ville have spillet en nøglerolle i universets tidlige udvikling og kunne også hjælpe med at forklare, hvorfor der er så meget mere stof end antimateriale i universet. DUNE vil også hjælpe os med at finde ud af, om neutrinoer og deres anti-stof ækvivalent, anti-neutrinoer, opføre sig identisk, giver yderligere bevis for sagens dominans.

Da de store mængder argon i detektoren indeholder mange protoner, DUNE er også et ideelt eksperiment til at søge efter protonhenfald. Under vores nuværende "standardmodel" af fysik, der beskriver alle de grundlæggende partikler, det er umuligt for protoner at henfalde. Men mange af de store forenede teorier, forskere sammensætter for at forklare alle kræfterne i universet (undtagen tyngdekraften) forudsiger, at protoner forfalder, bare meget langsomt.

Indtil videre har vi ingen beviser for protonforfald, men hvis det sker, så burde DUNE være i stand til at detektere og lokalisere det i den flydende argon med millimeter præcision. Dette kan hjælpe med at bevise, om nogen af ​​de store forenede teorier er korrekte, og igen kunne give flere spor om stofets dominans over antimateriale.

Den nye finansiering, sammen med forskernes samlede indsats fra hele verden, vil sætte os på sporet til at registrere de første begivenheder i DUNE i 2024. Det betyder, at vi inden for det næste årti kunne have løst nogle af universets største mysterier.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.