Cameron Merritt
0 
5004
1291
Studien av den subatomära världen har revolutionerat vår förståelse av universums lagar och gett mänskligheten oöverträffad insikt i djupa frågor. Historiskt sett har dessa frågor varit i den filosofiska världen: Hur kom universum till? Varför är universum så som det är? Varför finns det något istället för ingenting?
Tja, flytta över filosofi, eftersom vetenskapen har gjort ett avgörande steg för att bygga utrustningen som hjälper oss att svara på frågor som dessa. Och det handlar om att skjuta spöklika partiklar som kallas neutrinoer bokstavligen genom jorden över ett avstånd av 800 miles (nästan 1 300 kilometer) från ett fysiklaboratorium till ett annat.
En internationell grupp fysiker har meddelat att de har sett de första signalerna i en kubformad detektor som heter ProtoDUNE. Detta är ett mycket stort springbrett i DUNE-experimentet, som kommer att vara USA: s flaggskepps partikelfysikforskningsprogram under de kommande två decennierna. ProtoDUNE, som är på storleken på ett hus med tre våningar, är en prototyp av de mycket större detektorerna som kommer att användas i DUNE-experimentet och dagens meddelande (18 september) visar att tekniken som valdes fungerar. [De 18 största olösta mysterierna i fysik]
DUNE-detektorerna kommer att lokaliseras vid Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), strax utanför Chicago, och Sanford Underground Research Facility (SURF), i Lead, South Dakota. När experimentet är igång kommer en kraftfull partikelaccelerator vid Fermilab att göra en intensiv stråle av subatomära partiklar som kallas neutrino, skjuta dem bokstavligen genom jorden, för att upptäckas vid SURF.
Neutrino är spöken i den subatomära världen, som kan passera genom hela planeten utan nästan ingen interaktion. Neutrino har överraskat forskare många gånger tidigare. Från deras enastående förmåga att gå igenom materia utan att interagera, till det faktum att de behandlar materia och antimatter mycket annorlunda, till deras förmåga att förändras från en version till en annan, fortsätter neutrinoer att fascinera världens vetenskapliga gemenskap. Det är de två sista egenskaperna som DUNE-experimentet kommer att undersöka.
Antimatter är något som låter som science fiction, men det är säkert verkligt. Antimateria är motsatsen till materien; föra samman materia och antimateria och de kommer att förintas till ren energi. Antimateria föreslogs 1928 och observerades först 1931. Under de årtionden som ingick under tiden har forskare (inklusive mig) studerat det med oöverträffande detaljer. Mest förstås det, med ett väldigt irriterande återstående mysterium. När vi omvandlar energi till antimateria gör vi en identisk mängd materia. Detta är väletablerad vetenskap. Det är inte problemet.
Problemet är att om vi kombinerar den observationen med idén om Big Bang, hänger inte något ihop. Sammanfattningsvis, strax efter Big Bang, var universum fullt av energi, som borde ha förvandlats till materia och antimatter lika. Ändå är vårt universum helt gjord av materia. Så vart gick den antimateria? Denna fråga är obesvarad. men kanske en noggrann studie av materia och antimateria neutrino kan avslöja en skillnad. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Origin events]
Liksom andra subatomära partiklar har neutrinoer och antimateriella neutrinoer, kallad antineutrino, en mängd som kallas spin, som har en förbigående, även om den är ofullkomlig, likhet med små spinnbollar. Neutrino och antineutrino snurrar i motsatta riktningar. Om du skjuter en neutrino-stråle så att den kommer mot dig kan du stirra ner på neutrinos rotationsaxel; du skulle se dem snurra medurs medan antineutrino snurrar i motsatt riktning. Eftersom snurret av neutrino och antineutrino är motsatt, identifierar detta en skillnad mellan de två. Kanske är denna skillnad ett tecken på att studera saken och antimaterala analoger av neutrino kommer att kasta lite ljus på detta mysterium.
Det finns en annan egenskap hos neutrino som gör dem intressanta i förhållandet till saknade antimateria ... de kan förändras från en identitet till en annan. Forskare har funnit tre olika typer av neutrino. En typ är förknippad med elektroner och kallas elektronneutrino. De två andra är associerade med två andra subatomära partiklar som kallas muon och tau, som är tunga kusiner till elektronen.
Om du börjar med ett gäng elektronneutrinoer och sedan tittar på dem lite senare, kommer du att upptäcka att det finns färre elektronneutrinoer än du började med, men det finns tillräckligt med neutroner av muon och tau för att göra underskottet. Neutrino förfaller inte; de förändras till varandra.
Det var som om du hade ett rum fullt av 100 hundar och när du tittade senare fanns det 80 hundar, 17 katter och tre papegojor. Om du tittade ännu senare skulle blandningen fortfarande vara annorlunda.
Morfingen, vad forskarna kallar oscillation, av neutrinoer är också väl etablerad fysik. Forskare har misstänkt det sedan 1960-talet; de var ganska säkra på att det var riktigt 1998, och de klädde argumentet 2001. Neutrino-oscillation inträffar och dess upptäckt tilldelades 2015 Nobelpriset i fysik.
DUNE-experimentet har flera forskningsmål, men det kanske mest pressande är att först mäta oscillationen av neutrino och sedan svängningen av antineutrino. Om de är annorlunda kan det vara så att förstå processen mer detaljerat kommer att hjälpa oss att förstå varför universum enbart består av materia. Kort sagt kan det förklara varför vi alls finns.
DUNE-experimentet kommer att bestå av två detektorkomplex, ett mindre vid Fermilab och fyra större som finns vid SURF. En stråle av neutrino kommer att lämna Fermilab och gå mot de avlägsna detektorerna. Andelarna av olika typer av neutriner kommer att mätas vid detektorerna både vid Fermilab och vid SURF. Skillnaderna orsakade av neutrino-svängning kommer att mätas, och sedan kommer processen att upprepas för antineutrino.
Tekniken som kommer att användas i DUNE-experimenten involverar stora fat av flytande argon, där neutrinoerna kommer att interagera och detekteras. Var och en av de större detektorerna vid SURF kommer att vara lika höga och breda som en byggnad med fyra våningar och längre än en fotbollsplan. Var och en kommer att innehålla 17 000 ton flytande argon.
ProtoDUNE-detektorn är en mycket mindre prototyp som består av endast 800 ton flytande argon. Volymen är tillräckligt stor för att omfatta ett litet hus. Samarbetet med DUNE-forskare är världsomspännande och drar forskare från hela världen. Medan Fermilab är värdlaboratoriet, är andra internationella laboratorier också involverade. En sådan anläggning är CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriet, som ligger strax utanför Genève, Schweiz. ProtoDUNE-detektorn är belägen vid CERN, vilket ytterligare cementerar en lång relation mellan laboratorierna - till exempel har Fermilab länge varit involverad i forskning med hjälp av data registrerade av CERN Large Hadron Collider. DUNE är CERNs första investering i ett experiment som genomförs på ett laboratorium i USA.
Dagens tillkännagivande är stort, vilket bevisar att den flytande argonteknologin som kommer att utgöra hjärtat i DUNE-experimentet var ett bra val. En andra ProtoDUNE-detektor kommer att komma online på några månader. Den andra versionen använder något annorlunda teknik för att observera spåren av partiklar orsakade av sällsynta neutrino-interaktioner. Resultaten av testningen av dessa två detektorer kommer att leda forskare till ett beslut om den slutliga utformningen av detektorkomponenterna. DUNE kommer att byggas under det kommande decenniet och de första detektormodulerna planeras vara i drift 2026.
Don Lincoln är en fysikforskare på Fermilab. Han är författaren till "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), och han producerar en serie vetenskapliga utbildningsvideor. Följ honom på Facebook. De åsikter som uttrycks i denna kommentar är hans.
Don Lincoln bidrog med den här artikeln till Expert Voices: Op-Ed & Insights.