Fermilab's Dune zal neutrino's 1300 kilometer verderop sturen om spookdeeltjes te bestuderen

• Neutrino's zijn kleine deeltjes die geheimen kunnen bevatten voor enkele van de grootste mysteries van het universum.
• Het DUNE-project hoopt meer te leren over deze moeilijk te bestuderen ‘spookmoleculen’.
• Om dit te doen, zal het project neutrino's ongeveer 1300 kilometer tussen Illinois en South Dakota sturen.

Bijna zeven jaar geleden begonnen bemanningen 800.000 ton steen van één locatie te verplaatsen Voormalige goudmijn In de buurt van Lead, South Dakota.

De resulterende drie ondergrondse grotten zijn 150 meter lang en bijna lang genoeg om een ​​gebouw van zeven verdiepingen te huisvesten.

Het DUNE-project (Deep Underground Neutrino Experiment) zal naar verwachting minstens 3 miljard dollar kosten en wordt geleid door wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van Energie. Fermilab.

Uiteindelijk zal elke grot 17.500 ton vloeibaar argon bevatten om de natuurkundigen van Fermilab te helpen ongrijpbare deeltjes te detecteren die bekend staan ​​als neutrino's, ook wel bekend als 'spookdeeltjes'.

Neutrino's zijn subatomaire deeltjes die overal om je heen zijn en ongemerkt dwars door je heen gaan. De zon creëert ze. Supernova's maken ze. Zelfs bananen produceren neutrino's.

“Als je je hand opsteekt, passeren er elke seconde 10 miljard neutrino's van de zon door je hand”, vertelde natuurkundige en DUNE-woordvoerster Mary Pichai aan Business Insider.

Neutrino's worden spookdeeltjes genoemd omdat ze geen elektrische lading hebben en daarom zelden interactie hebben met alles waarmee ze in contact komen.

Dit maakt ze ook buitengewoon moeilijk om te bestuderen, maar wetenschappers houden vol dat neutrino's de sleutel kunnen zijn tot het ontsluiten van de geheimen van het universum, van wat er direct na de oerknal gebeurde tot het observeren van de geboorte van een zwart gat.

Neutrinobundel tussen Illinois en South Dakota

Het is moeilijk om een ​​deeltje te bestuderen dat geen straling uitzendt en lichter is dan een elektron. “Neutrino-interacties zijn als naalden in een hooiberg,” zei Pichai.

Wetenschappers van Fermilab willen neutrino’s in ongekend detail bestuderen, als nooit tevoren, met behulp van DUNE.

Daarom krijgt DUNE de grootste neutrinodetector in zijn soort ooit.

Eenmaal voltooid, is het experiment bedoeld om te beginnen met een reeks… Deeltjesversnellers Bij Fermilab buiten Chicago, Illinois.

De versnellers zullen eerst een extreem krachtige straal neutrino's afvuren door een detector in Fermilab. De straal zal vervolgens 1300 kilometer ondergronds reizen naar detectoren in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota.

Onderweg zullen de neutrino's iets nogal vreemds doen. Er zijn drie soorten neutrino's, en de deeltjes kunnen heen en weer schakelen tussen deze soorten, een fenomeen dat bekend staat als oscillatie. Een wetenschapper van Fermilab vergeleek het met een huiskat transformatie Naar een jaguar en vervolgens naar een tijger voordat hij terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm.

Door te volgen hoe neutrino's veranderen over deze lange afstanden tussen Illinois en South Dakota, kunnen wetenschappers deze oscillaties beter begrijpen door ze een completer beeld te geven dan Fermilab's huidige 500 mijl lange NOvA-experiment tussen Illinois en Minnesota.

Door dit allemaal anderhalve kilometer onder de grond te doen, worden de kleine, oscillerende deeltjes beschermd tegen de energetische kosmische straling die elke seconde op het aardoppervlak regent en de gegevens kan verstoren.

Los de geheimen van het universum op

Wetenschappers hopen met DUNE drie belangrijke vragen te beantwoorden: waarom is het universum gemaakt van materie in plaats van antimaterie, wat gebeurt er als een ster instort, en vervallen protonen?

“Onmiddellijk na de oerknal werden materie en antimaterie in ongeveer gelijke hoeveelheden gecreëerd”, zegt Pichai. Maar vandaag de dag bestaat het universum, voor zover wetenschappers weten, bijna volledig uit materie.

“Waarom zijn we uiteindelijk met een materie-universum beland, en niet met een antimaterie-universum?” voegde ze eraan toe.

De DUNE-straal is ontworpen om zowel neutrino's als antineutrino's te creëren, de versie van antimaterie. Door naar de oscillaties in elk type te kijken, kunnen wetenschappers erachter komen wat er met alle antimaterie is gebeurd.

Het project is ook bedoeld voor supernovafysica, zei Beshai.

In 1987 waren astronomen getuige van een heldere supernova-explosie op een kleinere afstand dan enige andere explosie in ongeveer 400 jaar. Met de toenmalige beschikbare detectoren konden ze slechts enkele tientallen neutrino's detecteren.

Er is een kans van 40 procent dat er in de komende tien jaar nog een nabijgelegen ster zal exploderen, zei Pichai, en Fermilab hoopt dat ten minste één van zijn detectoren in South Dakota op tijd operationeel zal zijn.

Zo’n grote detector zou duizenden neutrino’s kunnen opvangen en inzicht kunnen geven in de vorming van zwarte gaten en neutronensterren.

Ten slotte hebben wetenschappers protonen nog niet zien vervallen, maar de theorie voorspelt dat dit wel zal gebeuren. Protonen zijn kleine, positief geladen deeltjes die deel uitmaken van de kern van een atoom.

Het observeren van protonverval zou implicaties hebben voor de overtuiging van Albert Einstein dat één enkele theorie alle krachten in de natuur zou kunnen verenigen.

Als de protonen zouden vervallen, zou het ongeveer 10 miljard biljoen biljoen jaar duren. Maar Pichai zei dat neutrinodetectoren kunnen zoeken naar verschillende tekenen van protonverval. “We zullen een kans hebben om ze te zien, als deze grootse, verenigde theorieën waar zijn.”

Een ambitieus project

Er zijn momenteel verschillende neutrinoprojecten over de hele wereld, waaronder het Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) en de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN).

Wat DUNE uniek maakt is het gebruik van argon en de grote afstand tussen de nabije en verre detectoren.

Het project kreeg te maken met enkele tegenslagen in de begroting en de planning, Amerikaans Wetenschappelijk Gerapporteerd voor 2022. Het zou vier argondetectoren moeten hebben, maar zal beginnen met twee.

Pichai zei dat de eerste detector eind 2028 operationeel zou kunnen zijn, en dat de tweede detector volgend jaar zou volgen. Deze elementen zullen gereed zijn in het geval van een supernova-explosie, maar het bundelgedeelte zal pas in 2031 gereed zijn.

Pichai is echter van mening dat het project al een van zijn grootste prestaties heeft bereikt: de medewerking van zo'n 1.400 mensen uit 36 ​​landen. “Het is een grote wetenschap,” zei ze. “Het is ook een grote internationale vlag.”