Gyles Lewis
0 
2016
144
Studiet av den subatomære verdenen har revolusjonert vår forståelse av lovene i universet og gitt menneskeheten enestående innsikt i dype spørsmål. Historisk sett har disse spørsmålene vært i den filosofiske verden: Hvordan ble universet til? Hvorfor er universet slik det er? Hvorfor er det noe, i stedet for ingenting?
Vel, gå over filosofi, fordi vitenskapen har tatt et avgjørende skritt i å bygge utstyret som vil hjelpe oss med å svare på spørsmål som disse. Og det innebærer å skyte spøkelsesaktige partikler som kalles nøytrinoer bokstavelig talt gjennom jorden over en avstand på 800 miles (nesten 1.300 kilometer) fra et fysikklaboratorium til et annet.
En internasjonal gruppe fysikere har kunngjort at de har sett de første signalene i en kubeformet detektor kalt ProtoDUNE. Dette er et veldig stort springbrett i DUNE-eksperimentet, som vil være USAs flaggskip-partikkelfysikkforskningsprogram de neste to tiårene. ProtoDUNE, som er på størrelse med et tre-etasjers hus, er en prototype av de mye større detektorene som skal brukes i DUNE-eksperimentet, og dagens kunngjøring (18. september) viser at teknologien som ble valgt fungerer. [De 18 største uoppklarte mysteriene i fysikk]
DUNE-detektorene vil være lokalisert ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), like utenfor Chicago, og Sanford Underground Research Facility (SURF), i Lead, South Dakota. Når eksperimentet er i gang, vil en kraftig partikkelakselerator på Fermilab lage en intens stråle av subatomære partikler som kalles nøytrinoer, skyte dem bokstavelig talt gjennom jorden, for å bli oppdaget på SURF.
Neutrino er spøkelsene i den subatomære verdenen, som kan passere gjennom hele planeten uten nesten ingen interaksjoner. Neutrinos har overrasket forskere mange ganger i det siste. Fra deres enestående evne til å passere gjennom materie uten å samhandle, til det faktum at de behandler materie og antimaterie veldig forskjellig, til deres evne til å omforme seg fra en versjon til en annen, fortsetter nøytrinoer å fascinere verdens vitenskapelige samfunn. Det er de to siste egenskapene som DUNE-eksperimentet vil undersøke.
Antimaterie er noe som høres ut som science fiction, men det er absolutt ekte. Antimaterie er det motsatte av materie; bringe materie og antimaterie sammen, og de vil tilintetgjøres til ren energi. Antimatter ble foreslått i 1928 og ble først observert i 1931. I de tiår mellom år har forskere (inkludert meg) studert det i ulidelig detalj. Stort sett er det forstått, med ett veldig irriterende gjenværende mysterium. Når vi konverterer energi til antimaterie, lager vi en identisk mengde materie. Dette er veletablert vitenskap. Det er ikke problemet.
Problemet er at hvis vi kombinerer den observasjonen med ideen om Big Bang, henger ikke noe sammen. Tross alt, rett etter Big Bang, var universet fullt av energi, som burde ha blitt til materie og antimaterie likt. Likevel er vårt univers helt laget av materie. Så hvor gikk det antimateriet? Dette spørsmålet er ubesvart; men kanskje en nøye studie av materie og antimateriale nøytrinoer kan avsløre en forskjell. [Big Bang to Civilization 10 fantastiske opprinnelseshendelser]
I likhet med andre subatomære partikler har nøytrinoer og antimaterte nøytrinoer, kalt antineutrino, en mengde som kalles spinn, som har en forbipasserende, men ufullkommen, likhet med små spinnkuler. Neutrinoer og antineutrinoer snurrer i motsatte retninger. Hvis du skyter en nøytrinostråle slik at den kommer mot deg, kan du stirre nedover spinnaksen til nøytrinoer; du vil se dem snurre med urviseren, mens antineutrino spinner i motsatt retning. Fordi spinnet til nøytrinoer og antineutrino er det motsatte, identifiserer dette en forskjell mellom de to. Den forskjellen er kanskje et tegn på at å studere saken og antimateriellanalogene til nøytrinoer vil kaste lys over dette mysteriet.
Det er en annen egenskap av nøytrinoer som gjør dem interessante i conundrum av manglende antimaterie ... de kan forandre seg fra en identitet til en annen. Forskere har funnet tre forskjellige typer nøytrinoer. En type er assosiert med elektroner og kalles elektronnøytrinoer. De to andre er assosiert med to andre subatomære partikler kalt muon og tau, som er tunge søskenbarn til elektronet.
Hvis du begynner med en haug med elektronnøytrinoer og så ser på dem litt senere, vil du oppdage at det er færre elektronnøytrinoer enn du startet med, men det er nok muon og tau nøytrinoer til å utgjøre underskuddet. Nøytrinoene forfaller ikke; de forandrer seg til hverandre.
Det er som om du hadde et rom fullt av 100 hunder, og da du så senere, var det 80 hunder, 17 katter og tre papegøyer. Hvis du så enda senere, ville blandingen være annerledes.
Morfingen, det forskerne kaller svingning, av nøytrinoer er også veletablert fysikk. Forskere har mistenkt det siden 1960-tallet; de var ganske sikre på at det var ekte i 1998, og de behandlet argumentet i 2001. Neutrino-svingning skjer og oppdagelsen ble tildelt Nobelprisen i fysikk 2015.
DUNE-eksperimentet har flere forskningsmål, men kanskje det mest presserende er å først måle svingningen av nøytrinoer og deretter svingningen av antineutrinoer. Hvis de er forskjellige, kan det være at å forstå den prosessen mer detaljert vil hjelpe oss å forstå hvorfor universet utelukkende er laget av materie. Kort sagt kan det kanskje forklare hvorfor vi i det hele tatt eksisterer.
DUNE-eksperimentet vil bestå av to detektorkomplekser, et mindre ved Fermilab, og fire større som ligger på SURF. En stråle med nøytrino vil forlate Fermilab og gå mot de fjerne detektorene. Andelene av forskjellige typer nøytrinoer vil bli målt ved detektorene både på Fermilab og ved SURF. Forskjellene forårsaket av nøytrino-svingning vil bli målt, og deretter vil prosessen bli gjentatt for antineutrino.
Teknologien som vil bli brukt i DUNE-eksperimentene involverer store kar med flytende argon, der nøytrinoene vil samvirke og bli oppdaget. Hver av de større detektorene som ligger på SURF, vil være så høye og så brede som en firetasjes bygning og lengre enn en fotballbane. Hver av dem vil inneholde 17.000 tonn flytende argon.
ProtoDUNE-detektoren er en mye mindre prototype, bestående av bare 800 tonn flytende argon. Volumet er stort nok til å omfatte et lite hus. Samarbeidet fra DUNE-forskere er verdensomspennende, og trekker forskere fra hele verden. Mens Fermilab er vertslaboratoriet, er andre internasjonale laboratorier også involvert. Et slikt anlegg er CERN, det europeiske laboratoriet for partikkelfysikk, som ligger rett utenfor Genève, Sveits. ProtoDUNE-detektoren er lokalisert ved CERN, og sementerer videre et langt forhold mellom laboratoriene - for eksempel har Fermilab lenge vært involvert i forskning ved bruk av data registrert av CERN Large Hadron Collider. DUNE er CERNs første investering i et eksperiment som blir utført på et laboratorium i USA.
Dagens kunngjøring er en stor, og beviser at flytende argonteknologi som vil utgjøre hjertet av DUNE-eksperimentet var et godt valg. En andre ProtoDUNE-detektor kommer på nettet om noen måneder. Den andre versjonen bruker litt annen teknologi for å observere sporene til partikler forårsaket av sjeldne nøytrino-interaksjoner. Resultatene fra testingen av disse to detektorene vil lede forskere til en beslutning om den endelige utformingen av detektorkomponentene. DUNE skal bygges i løpet av det neste tiåret, og de første detektormodulene skal etter planen være i drift i 2026.
Don Lincoln er fysikkforsker ved Fermilab. Han er forfatteren av "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), og han produserer en serie med videoopplæringsvideoer. Følg ham på Facebook. Meningene som kommer til uttrykk i denne kommentaren er hans.
Don Lincoln bidro med denne artikkelen til Expert Voices: Op-Ed & Insights.