Строительство для следующего крупного американского эксперимента по физике элементарных частиц началось этим летом. Deep Underground Neutrino Experiment, или DUNE, будет изучать некоторые очень призрачные субатомные частицы. Подземный эксперимент повлечет за собой запуск мощного луча нейтрино через мантию Земли, достигающего максимальной глубины 30 миль (48 километров) и, возможно, раскрытия некоторых из величайших тайн нашей Вселенной в процессе.
Эксперимент, управляемый и финансируемый международным сообществом, протянется на 800 миль (1300 километров) и начнется в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб) в Батавии, штат Иллинойс, и закончится более чем в миле под землей под заброшенным золотой рудник в Лиде, Южная Дакота. Когда DUNE будет завершена, она станет частью нейтринной лаборатории с длинной базой (LBNF), двухцентровой установки, которая будет начинаться в Фермилабе в Иллинойсе и заканчиваться в Сэнфордском подземном исследовательском центре (SURF) в Южной Дакоте.
Углубляясь в подполье
Восемьсот миль (1287 километров) скалы не имеют значения для нейтрино. Эти странные субатомные частицы - фермионы с очень малой массой и нулевым зарядом. Они движутся со скоростью, близкой к скорости света (поскольку это частицы с наименьшей массой из известных) и крайне слабо взаимодействуют с обычной материей. Они заполняют нашу вселенную и проходят через все на своем пути, будь то мы или километры скалы.
Откуда ученые вообще знают, что эти штуки существуют, если они такие призрачные? Именно здесь вступают в действие криогенные детекторы размером со здание. DUNE будет обслуживать два подземных детектора, один будет находиться рядом с источником Фермилаб (известный как «ближний детектор»), а другой будет находиться в огромном комплексе в SURF («дальний детектор»). детектор"). После модернизации оборудования Фермилаб нейтринный пучок самой высокой интенсивности в мире будет направлен через ближний детектор и пересечется с дальним детектором, состоящим из четырех массивных криогенно охлаждаемых резервуаров с жидким аргоном. Насколько массивный? Каждый резервуар будет высотой в шесть этажей и длиной с футбольное поле и будет содержать 18 739 тонн (17 000 метрических тонн) переохлажденного жидкого аргона.
Что с аргоном? Что ж, нейтрино слабо взаимодействуют, но очень редко они прямо сталкиваются с атомными ядрами, находящимися в веществе. Таким образом, если направить очень интенсивный пучок нейтрино на достаточно большие емкости со сверхчистым аргоном, очень небольшая часть призрачных частиц по чистой случайности попадет в атомы аргона. При столкновении сверхчувствительные детекторы внутри резервуаров зафиксируют вспышку (известную как сцинтилляция), после чего можно будет изучить взаимодействие. Но поскольку эти детекторы настолько чувствительны, а взаимодействия очень малы, детекторы нейтрино обычно закапывают глубоко под землю, чтобы защитить их от вмешательства космических лучей и другого излучения, которое могло бы нанести ущерб, если бы они оказались на поверхности.
Эти слабые взаимодействия могут открыть нам глаза на новую физику и улучшить наше понимание одной из наименее изученных частиц в квантовой физике.
Знакомство с нейтрино
Ученым нравятся нейтрино по многим причинам. Вот один из них: они обеспечивают прямую связь между нами и ядром нашего Солнца. В процессе ядерного синтеза образуются нейтрино и фотоны высокой энергии. Фотоны поглощаются при столкновении с плотной солнечной плазмой, а затем повторно излучаются с более низкой энергией (процесс, который повторяется до миллиона лет, прежде чем энергия солнечного ядра, наконец, излучается в виде света, который мы видим). но нейтрино будут вылетать прямо из ядра Солнца, через плотную плазму и достигать Земли за считанные минуты. Так что, если физики хотят узнать о термоядерной среде в центре нашего Солнца прямо сейчас, они обратятся к солнечным нейтрино.
Но в солнечных нейтрино есть загадочный поворот.
Насколько нам известно, нейтрино бывают трех «разновидностей» - электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино - и их античастицы. Когда нейтрино путешествуют, они «колеблются» между тремя ароматами, как хамелеон меняет цвет в зависимости от цвета его окружения.
Солнце способно генерировать только электронные нейтрино в своем ядре, поэтому, когда физики решили обнаружить эти крошечные призраки, используя первые сверхчувствительные детекторы в 1960-х годах, они обнаружили гораздо меньше нейтрино, чем предсказывала теория. В нобелевской работе физики наконец нашли причину. Оказывается, электронные нейтрино, произведенные солнечным синтезом, естественным образом колеблются между ароматами нейтрино - электронным, мюонным и тау. Поскольку детекторы могли наблюдать только электронные нейтрино, мюонные и тау-нейтрино остались незамеченными. Не было аномальной нехватки солнечных электронных нейтрино - они просто поменяли аромат, когда достигли детектора.
Что возвращает нас к ДЮНЕ. Нам нужен контролируемый эксперимент на Земле, такой как DUNE, чтобы понять эти изменения вкуса. Во время эксперимента аромат нейтрино, производимых ускорителем частиц Фермилаб, будет измеряться, как только они будут отправлены на переоборудованный золотой рудник в Южной Дакоте. Затем полученные нейтрино в SURF можно сравнить с отправленными, и может быть выработано новое понимание квантовой природы нейтрино. Ученые точно измерят массы этих нейтрино. Они могут даже открыть другие нейтрино помимо известных трех ароматов.
Но подождите, это еще не все. Многое другое
DUNE выйдет далеко за рамки изучения нейтринных осцилляций. Это могло бы помочь нам понять немалую тайну того, как вообще существует наша Вселенная. Это может показаться философским затруднением, но тот факт, что наша Вселенная состоит в основном из материи, а не из антиматерии, является одним из самых больших вопросов, стоящих перед современной наукой.
Во время Большого взрыва, примерно 13,8 миллиарда лет назад, материя и антиматерия должны были образоваться в равных частях. Конечно, все мы знаем, что происходит, когда материя и антиматерия встречаются - она взрывается или аннигилирует, не оставляя после себя ничего, кроме энергии. Так что, если бы Большой взрыв произвел равные части материи и антиматерии, здесь ничего бы не было.
Тот факт, что мы ЕСТЬ здесь, означает, что Вселенная произвела чуть больше материи, чем антиматерии, поэтому, когда при рождении Вселенной произошла аннигиляция, материя победила, а антиматерия стала крайне редкой. Это означает, что некоторые основные физические законы были нарушены при Большом Взрыве, загадка, которую физики называют нарушением симметрии заряда-четности или «CP-нарушением». Ускорители частиц, такие как Большой адронный коллайдер, могут проверить, почему природа предпочитает материю антиматерии, и DUNE тоже сделает это, экспериментируя с нейтрино и их партнером из антиматерии, антинейтрино..
Ожидается, что нейтринный пучок на производственном объекте Фермилаб будет введен в эксплуатацию к 2026 году, а строительство последнего детектора DUNE должно быть завершено к 2027 году. открытие.
Интересно
Если вы планируете создать самый интенсивный нейтринный пучок в мире, вам понадобится несколько ученых. DUNE объединила 1000 сотрудников из 30 разных стран. С такими цифрами он входит в число действительно крупных экспериментов, некоторые из которых проводятся на Большом адронном коллайдере.