Cameron Merritt
0 
2478
576
Undersøgelsen af den subatomære verden har revolutioneret vores forståelse af universets love og givet menneskeheden hidtil uset indsigt i dybe spørgsmål. Historisk set har disse spørgsmål været i den filosofiske verden: Hvordan kom universet til? Hvorfor er universet, som det er? Hvorfor er der noget i stedet for intet?
Nå, gå over filosofi, fordi videnskaben har taget et afgørende skridt i opbygningen af udstyret, der vil hjælpe os med at besvare spørgsmål som disse. Og det involverer at skyde spøgelsesrige partikler kaldet neutrinoer bogstaveligt talt gennem Jorden over en afstand af 800 miles (næsten 1.300 kilometer) fra et fysiklaboratorium til et andet.
En international gruppe fysikere har meddelt, at de har set de første signaler i en terningformet detektor kaldet ProtoDUNE. Dette er et meget stort springbræt i DUNE-eksperimentet, der vil være Amerikas flagskibspartikelfysikforskningsprogram i de næste to årtier. ProtoDUNE, som er på størrelse med et tre-etagers hus, er en prototype af de meget større detektorer, der vil blive brugt i DUNE-eksperimentet, og dagens meddelelse (18. september) viser, at den valgte teknologi fungerer. [De 18 største uopløste mysterier i fysik]
DUNE-detektorerne vil være placeret på Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) lige uden for Chicago og Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, South Dakota. Når eksperimentet er i gang, vil en kraftig partikelaccelerator ved Fermilab skabe en intens stråle af subatomære partikler kaldet neutrinoer, skyde dem bogstaveligt gennem Jorden, der skal detekteres på SURF.
Neutrino er spøgelser fra den subatomære verden, der er i stand til at passere gennem hele planeten uden næsten ingen interaktion. Neutrinoer har overrasket forskere mange gange i fortiden. Fra deres hidtil uset evne til at passere gennem materie uden at interagere, til det faktum, at de behandler stof og antimaterie meget forskelligt, til deres evne til at omforme fra en version til en anden, fortsætter neutrinoer med at fascinere verdens videnskabelige samfund. Det er de to sidste egenskaber, som DUNE-eksperimentet vil undersøge.
Antimaterie er noget, der lyder som science fiction, men det er med sikkerhed virkelig ægte. Antimaterie er det modsatte af materien; bringe stof og antimaterie sammen, og de vil udslette til ren energi. Antimateriale blev foreslået i 1928 og først observeret i 1931. I de mellemliggende årtier har forskere (inklusive mig) undersøgt det i uhyggelige detaljer. Det forstår det meste med et meget irriterende resterende mysterium. Når vi konverterer energi til antimaterie, fremstiller vi en identisk mængde stof. Dette er veletableret videnskab. Det er ikke problemet.
Problemet er, at hvis vi kombinerer denne observation med ideen om Big Bang, hænger der ikke noget sammen. Kort sagt efter Big Bang var universet fuldt af energi, som burde have forvandlet sig til materie og antimaterie lige. Alligevel er vores univers udelukkende lavet af materie. Så hvor gik det antimateriale hen? Dette spørgsmål er ubesvaret; men måske afslører en omhyggelig undersøgelse af stof og antimateriale neutrinoer en forskel. [Big Bang to Civilization 10 fantastiske begivenhedsarrangementer]
Ligesom andre subatomære partikler har neutrinoer og antimateriale neutrinoer, kaldet antineutrino, en mængde kaldet spin, som har en forbipasserende, selvom ufuldkommen, lighed med små spindeboller. Neutrinoer og antineutrinoer roterer i modsatte retninger. Hvis du skyder en neutrino-stråle, så den kommer mod dig, kan du stirre ned på spin-aksen for neutrinoer; du kunne se dem snurre med uret, mens antineutrinoer roterer i den modsatte retning. Da spin af neutrinoer og antineutrino er det modsatte, identificerer dette en forskel mellem de to. Denne forskel er måske et tegn på, at undersøgelse af sagen og antimaterielle analoger af neutrinoer vil kaste lys over dette mysterium.
Der er en anden egenskab ved neutrinoer, der gør dem interessante i forholdet til manglende antimaterie… de kan ændre sig fra en identitet til en anden. Forsker har fundet tre forskellige typer neutrinoer. En type er forbundet med elektroner og kaldes elektronneutrinoer. De to andre er forbundet med to andre subatomære partikler kaldet muon og tau, som er tunge fætre af elektronet.
Hvis du starter med en masse elektronneutrinoer og derefter ser på dem lidt senere, vil du opdage, at der er færre elektronneutrinoer, end du startede med, men der er nok muon- og tau-neutrinoer til at udgøre underskuddet. Neutrinoerne forfalder ikke; de ændrer sig til hinanden.
Det er som om du havde et værelse fuldt af 100 hunde, og da du kiggede senere, var der 80 hunde, 17 katte og tre papegøjer. Hvis du kiggede endnu senere, ville blandingen stadig være anderledes.
Morfingen, hvad forskere kalder svingning, af neutrinoer er også veletableret fysik. Forskere har mistanke om det siden 1960'erne; de var temmelig sikre på, at det var rigtigt i 1998, og de behandlede argumentet i 2001. Neutrino-svingning forekommer, og dens opdagelse blev tildelt Nobelprisen i fysik 2015.
DUNE-eksperimentet har flere forskningsmål, men måske er det mest presserende først at måle svingningen af neutrinoer og derefter svingningen af antineutrino. Hvis de er forskellige, kan det være, at forståelsen af denne proces mere detaljeret vil hjælpe os med at forstå, hvorfor universet udelukkende er fremstillet af materie. Kort sagt kan det muligvis forklare, hvorfor vi overhovedet eksisterer.
DUNE-eksperimentet vil bestå af to detektorkomplekser, et mindre ved Fermilab og fire større, der er placeret på SURF. En stråle af neutrino vil forlade Fermilab og gå mod de fjerne detektorer. Proportionerne af forskellige typer neutrinoer måles ved detektorerne både ved Fermilab og ved SURF. Forskellene forårsaget af neutrino-svingning vil blive målt, og derefter vil processen blive gentaget for antineutrino.
Teknologien, der vil blive brugt i DUNE-eksperimenterne involverer store kar af flydende argon, hvor neutrinoerne vil interagere og blive opdaget. Hver af de større detektorer, der er placeret på SURF, vil være så høj og så bred som en fire-etagers bygning og længere end en fodboldbane. Hver af dem vil indeholde 17.000 tons flydende argon.
ProtoDUNE-detektoren er en meget mindre prototype, der kun består af 800 tons flydende argon. Lydstyrken er stor nok til at omfatte et lille hus. Samarbejdet med DUNE-forskere er verdensomspændende og tegner forskere fra hele verden. Mens Fermilab er værtslaboratoriet, er andre internationale laboratorier også involveret. En sådan facilitet er CERN, det europæiske partikelfysiklaboratorium, der ligger lige uden for Genève, Schweiz. ProtoDUNE-detektoren er placeret ved CERN, hvilket yderligere cementerer et langt forhold mellem laboratorierne - for eksempel har Fermilab længe været involveret i forskning ved hjælp af data registreret af CERN Large Hadron Collider. DUNE er CERNs første investering i et eksperiment, der udføres på et laboratorium i USA.
Dagens meddelelse er en stor en, der beviser, at den flydende argonteknologi, der vil danne hjertet af DUNE-eksperimentet, var et godt valg. En anden ProtoDUNE-detektor kommer online om et par måneder. Den anden version bruger lidt anden teknologi til at observere spor af partikler forårsaget af sjældne neutrino-interaktioner. Resultaterne af testningen af disse to detektorer vil guide forskere til en beslutning om den endelige design af detektorkomponenterne. DUNE vil blive bygget i løbet af det næste årti, og de første detektormoduler er planlagt i drift i 2026.
Don Lincoln er fysikforsker hos Fermilab. Han er forfatteren af "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 producerer en række videnskabsuddannelsesvideoer. Følg ham på Facebook. Synspunkterne i denne kommentar er hans.
Don Lincoln bidrog med denne artikel til 'Expert Voices: Op-Ed & Insights'.