Rudolf Cole
0 
4397
957
Badanie świata subatomowego zrewolucjonizowało nasze rozumienie praw wszechświata i dało ludzkości bezprecedensowy wgląd w głębokie pytania. Historycznie rzecz biorąc, pytania te dotyczyły sfery filozoficznej: jak powstał wszechświat? Dlaczego wszechświat jest taki, jaki jest? Dlaczego jest coś zamiast niczego?
Cóż, przejdźmy do filozofii, ponieważ nauka uczyniła kluczowy krok w tworzeniu sprzętu, który pomoże nam odpowiedzieć na takie pytania. Obejmuje ona wystrzeliwanie upiornych cząstek zwanych neutrinami dosłownie przez Ziemię na odległość 800 mil (prawie 1300 kilometrów) z jednego laboratorium fizycznego do drugiego..
Międzynarodowa grupa fizyków ogłosiła, że widziała pierwsze sygnały w detektorze w kształcie sześcianu o nazwie ProtoDUNE. To bardzo duży krok naprzód w eksperymencie DUNE, który będzie flagowym amerykańskim programem badawczym w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych przez następne dwie dekady. ProtoDUNE, wielkości trzypiętrowego domu, jest prototypem znacznie większych detektorów, które zostaną użyte w eksperymencie DUNE, a dzisiejsza (18 września) zapowiedź pokazuje, że wybrana technologia działa. [18 największych nierozwiązanych tajemnic w fizyce]
Detektory DUNE zostaną zlokalizowane w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), na obrzeżach Chicago, oraz w Sanford Underground Research Facility (SURF) w Lead w Południowej Dakocie. Kiedy eksperyment się rozpocznie, potężny akcelerator cząstek w Fermilab wytworzy intensywną wiązkę cząstek subatomowych zwanych neutrinami, które wystrzelą je dosłownie przez Ziemię, aby zostały wykryte na powierzchni SURF.
Neutrina to duchy świata subatomowego, zdolne do przejścia przez całą planetę prawie bez interakcji. Neutrina w przeszłości wielokrotnie zaskakiwały naukowców. Neutrina, od ich bezprecedensowej zdolności do przechodzenia przez materię bez interakcji, przez fakt, że traktują one materię i antymaterię w bardzo odmienny sposób, po zdolność do przekształcania się z jednej wersji w drugą, nadal fascynują światową społeczność naukową. To właśnie te dwie ostatnie właściwości będą badane w eksperymencie DUNE.
Antymateria to coś, co brzmi jak science fiction, ale z pewnością jest realne. Antymateria jest przeciwieństwem materii; połącz materię i antymaterię, a unicestwią one w czystą energię. Antymateria została zaproponowana w 1928 r., A po raz pierwszy zaobserwowana w 1931 r. W kolejnych dziesięcioleciach naukowcy (w tym ja) badali ją z przerażającymi szczegółami. W większości jest to zrozumiałe, z jedną bardzo irytującą tajemnicą. Kiedy przekształcamy energię w antymaterię, tworzymy identyczną ilość materii. To jest dobrze ugruntowana nauka. To nie jest problem.
Problem w tym, że jeśli połączymy tę obserwację z ideą Wielkiego Wybuchu, coś się nie powiedzie. Przecież wkrótce po Wielkim Wybuchu wszechświat był pełen energii, która powinna była przekształcić się jednakowo w materię i antymaterię. Jednak nasz wszechświat jest w całości zbudowany z materii. Więc dokąd poszła antymateria? To pytanie pozostaje bez odpowiedzi; ale być może dokładne badanie materii i neutrin antymaterii może ujawnić różnicę. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Origin Events]
Podobnie jak inne cząstki subatomowe, neutrina i neutrina antymaterii, zwane antyneutrinami, mają wielkość zwaną spinem, która ma przelotne, choć niedoskonałe, podobieństwo do małych wirujących kulek. Neutrina i antyneutrina wirują w przeciwnych kierunkach. Jeśli wystrzelisz wiązkę neutrin, aby zbliżała się do ciebie, możesz patrzeć w dół osi obrotu neutrin; można by zobaczyć, jak wirują zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy antyneutrina obracają się w przeciwnym kierunku. Ponieważ spin neutrin i antyneutrin jest odwrotny, wskazuje to na różnicę między nimi. Może ta różnica jest znakiem, że badanie materii i antymaterii analogów neutrin rzuci trochę światła na tę zagadkę.
Jest jeszcze jedna właściwość neutrin, która sprawia, że są one interesujące w zagadce związanej z brakującą antymaterią. Naukowcy odkryli trzy różne typy neutrin. Jeden typ jest związany z elektronami i nazywa się neutrinami elektronowymi. Dwie pozostałe są powiązane z dwoma innymi cząstkami subatomowymi zwanymi mionem i tau, które są ciężkimi kuzynami elektronu.
Jeśli zaczniesz od grupy neutrin elektronowych, a następnie przyjrzysz się im nieco później, zobaczysz, że jest mniej neutrin elektronowych niż na początku, ale jest wystarczająco dużo neutrin mionowych i tau, aby uzupełnić deficyt. Neutrina nie ulegają rozkładowi; zmieniają się w siebie.
To tak, jakbyś miał pokój pełen 100 psów, a kiedy spojrzałeś później, było tam 80 psów, 17 kotów i trzy papugi. Gdybyś spojrzał jeszcze później, miks byłby jeszcze inny.
Morfowanie neutrin, które naukowcy nazywają oscylacją, jest również dobrze ugruntowaną fizyką. Naukowcy podejrzewali to od lat sześćdziesiątych XX wieku; byli całkiem pewni, że to prawda w 1998 r. i doszli do porozumienia w 2001 r. Występują oscylacje neutrin i ich odkrycie zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2015 r..
Eksperyment DUNE ma kilka celów badawczych, ale być może najpilniejszym jest zmierzenie najpierw oscylacji neutrin, a następnie oscylacji antyneutrin. Jeśli są różne, być może bardziej szczegółowe zrozumienie tego procesu pomoże nam zrozumieć, dlaczego wszechświat jest zbudowany wyłącznie z materii. Krótko mówiąc, może to wyjaśniać, dlaczego w ogóle istniejemy.
Eksperyment DUNE będzie się składał z dwóch kompleksów detektorów, mniejszego w Fermilab i czterech większych zlokalizowanych w SURF. Wiązka neutrin opuści Fermilab i kieruje się w stronę odległych detektorów. Proporcje różnych typów neutrin będą mierzone na detektorach zarówno w Fermilab, jak i na SURF. Zostaną zmierzone różnice spowodowane oscylacjami neutrin, a następnie proces zostanie powtórzony dla antyneutrin.
Technologia, która zostanie wykorzystana w eksperymentach DUNE, obejmuje duże kadzie ciekłego argonu, w których neutrina będą oddziaływać i będą wykrywane. Każdy z większych detektorów zlokalizowanych w SURF będzie tak wysoki i szeroki jak czteropiętrowy budynek i dłuższy niż boisko do piłki nożnej. Każdy z nich będzie zawierał 17 000 ton ciekłego argonu.
Detektor ProtoDUNE to znacznie mniejszy prototyp, składający się tylko z 800 ton ciekłego argonu. Objętość jest wystarczająco duża, aby pomieścić mały dom. Współpraca naukowców DUNE odbywa się na całym świecie i przyciąga naukowców z całego świata. Fermilab jest laboratorium przyjmującym, ale zaangażowane są również inne laboratoria międzynarodowe. Jednym z takich obiektów jest CERN, europejskie laboratorium fizyki cząstek elementarnych, zlokalizowane na obrzeżach Genewy w Szwajcarii. Detektor ProtoDUNE znajduje się w CERN, co dodatkowo umacnia długotrwałe relacje między laboratoriami - na przykład Fermilab od dawna angażuje się w badania wykorzystujące dane zarejestrowane przez Wielki Zderzacz Hadronów CERN. DUNE to pierwsza inwestycja CERN w eksperyment prowadzony w laboratorium w Stanach Zjednoczonych.
Dzisiejsze ogłoszenie jest ważne i udowadnia, że technologia ciekłego argonu, która będzie sercem eksperymentu DUNE, była dobrym wyborem. Drugi detektor ProtoDUNE zostanie uruchomiony za kilka miesięcy. Druga wersja wykorzystuje nieco inną technologię do obserwacji śladów cząstek spowodowanych rzadkimi interakcjami neutrin. Wyniki testów tych dwóch detektorów pomogą naukowcom podjąć decyzję dotyczącą ostatecznego projektu elementów detektora. DUNE powstanie w ciągu następnej dekady, a pierwsze moduły detektorów mają zacząć działać w 2026 roku.
Don Lincoln jest badaczem fizyki w Fermilab. Jest autorem książki „Wielki zderzacz hadronów: niezwykła historia bozonu Higgsa i innych rzeczy, które rozwalą ci umysł” (Johns Hopkins University Press, 2014) i produkuje serię filmów o tematyce naukowej. Śledź go na Facebooku. Opinie wyrażone w tym komentarzu są jego.
Don Lincoln współtworzył ten artykuł dla Expert Voices: Op-Ed & Insights.