Wie DUNE aussieht, ein unterirdisches Megaexperiment, das die Geheimnisse der Entstehung des Universums enthüllt

1930 startete der österreichische Physiker Wolfgang Pauli ein Rennen. Er versprach, dass niemand etwas erfinden würde, was er nach seinen eigenen Worten als „schändliche Lösung“ vorschlug, um die Gültigkeit des Energieeinsparungsgesetzes zu wahren: Er lud sie ein. Neutrinos, Für den Transport der fehlenden Energie sind ungeladene, nicht nachweisbare Teilchen verantwortlich.

26 Jahre später musste er seine Wette begleichen und eine Kiste Champagner bezahlen. Im Jahr 1956 entdeckten die Forscher Clyde Cowan und Fred Raines Antineutrinos, die von einem Kernreaktor am Savannah River in South Carolina, USA, emittiert wurden. Obwohl Neutrinos nur sehr schwach mit Materie interagieren, waren sie zum ersten Mal dort.

Seit Pauli ihre Existenz vorgeschlagen hat, sind Neutrinos in eine Schicht von Geheimnissen gehüllt, die bis heute schwer zu fassen sind. Vielleicht setzen es deshalb wissenschaftliche Institutionen aus verschiedenen Teilen der Welt um DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment)Ein sehr ehrgeiziges Megaprojekt, das darauf abzielt, jene schwer fassbaren Teilchen aufzuspüren, die einige der ungelösten Bedenken hinsichtlich der Entstehung des Universums in sich bergen.

„Neutrinos sind Standardmodellteilchen ohne Ladung und mit sehr geringer Masse. Denn dadurch sind sie sehr rutschig Nur ein Neutrino von 10 Billionen ist gefangen während er die Erde überquerte“, erklärte er Infobay Clara Cuesta Soria, Physikerin, Forscherin in der CIEMAT-Einheit, einem der am Experiment beteiligten Unternehmen.

Die Neutrinoforschung, die seit fast einem Jahrhundert betrieben wird, erlebte Höhen und Tiefen und Entdeckungen, die die vorherrschenden Theorien widerlegten, aber es bestehen immer noch grundlegende Unbekannte. Grundsätzlich gilt, dass Neutrinos keine Masse haben. Die Entdeckung seiner Schwingungen stellt eine radikale Veränderung dar, denn sie beweist, dass seine Masse nicht Null ist, obwohl sie vernachlässigbar ist.

„Seine Masse ist mindestens eine Million Mal kleiner als die eines Elektrons. „66 Milliarden Neutrinos passieren pro Sekunde jeden Quadratzentimeter der Haut jedes Menschen auf der Erde, und wir bemerken sie nicht“, schrieb Gustav Soria in einem Artikel. Gespräch.

Shirley Li, Professorin für Physik an der University of California in Irvine, die sich auf das Verhalten von Teilchen spezialisiert hat, sagte ihrerseits gegenüber den Medien: „Im Laufe der Zeit haben wir Neutrinos aus verschiedenen Quellen beobachtet und sie in verschiedenen Medien eingefangen.“ , ist aber sehr schwierig. Sie sind schwer fassbar, weil sie mit anderen Teilchen oder Materie nur durch eine Art von Wechselwirkung interagieren, die durch ihre Zerbrechlichkeit gekennzeichnet ist. schwaches Glied. Mit anderen Worten: Sie interagieren mit nichts.

Ein Neutrino einzufangen ist eine gigantische Aufgabe. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass eine genaue Messung der Parameter, die sie bestimmen, noch erforderlich ist und dass es wichtig ist, den Unterschied zwischen Neutrinos und Antineutrinos zu verstehen. All dies führt zur eigentlichen Motivation hinter dem DUNE-Megaprojekt, das Licht auf eine grundlegende Frage werfen soll: Wie ist das Universum, wie wir es heute kennen, entstanden? Wie konnte sich die Materie während des Urknalls durchsetzen?

DUNE wird ein gigantisches Underground-Experiment sein. Die Sanford Underground Research Facility (SURF) tief in South Dakota, USA, beherbergt einen riesigen Detektor, der Neutrinos jagen und einfangen soll. Der Arbeitsplan war gewaltig: Innerhalb von drei Jahren mussten 800.000 Tonnen Gestein abgetragen werden, um Platz für den Detektor und seine Trägersysteme zu schaffen.

Aber das Projekt hat neben dem Detektor in South Dakota noch einen weiteren zentralen Zweig in den Vororten von Chicago. Es handelt sich um das Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), das für das Energieministerium im Orbit ist. Ein Beschleuniger im Labor erzeugt Neutrinostrahlen, die geradlinig durch die Erdkruste schießen, aus der sie in knapp 1.300 Kilometern Entfernung wieder hervortreten. Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit -99,9 % seiner Leistung, etwa 299.338 Kilometer pro Sekunde.

„Neutrinos sind schwer fassbar und erfordern große Detektoren, die sie nachweisen können. Ein Detektor auf DUNE.“ 70.000 Tonnen flüssiges Argon. Die in DUNE verwendete Detektionstechnologie ermöglicht die Schaffung eines großen Detektors – 60 Meter lang – und identifiziert gleichzeitig die Position interagierender Partikel mit einer Genauigkeit von Millimetern. „Ein solches Experiment zu schaffen erfordert einen enormen Aufwand, deshalb machen wir es in einer internationalen Zusammenarbeit von 1.400 Menschen aus mehr als 30 Ländern“, erklärte Gustavo Soria auf Anfrage.

Wie der Experte beschreibt, wird ein Detektor in der Nähe des Entstehungsortes die Neutrinos an ihrem Ausgangspunkt klassifizieren. In ähnlicher Weise erfasst ein weiterer Ferndetektor, der sich 1.500 Meter unter der Erde in der Goldmine befindet, sie, um mögliche Veränderungen ihrer Eigenschaften zu analysieren.

Die Rolle von flüssigem Argon wird zu diesem Zeitpunkt von grundlegender Bedeutung sein. SURF wird über vier große Detektoren verfügen, die 67.000 Tonnen flüssiges Argon aufnehmen können, was dem Äquivalent von 15 olympischen Schwimmbecken bei Temperaturen von 190 Grad unter Null entspricht. Diese Pools sind für das Einfangen von Neutrinos verantwortlich.

„Bei der Wechselwirkung von Teilchen mit Argon werden dank starker elektrischer Felder geladene Teilchen ausgestoßen. Kleine Lichtmengen werden jedoch von Sensoren gesammelt, die in der Lage sind, so kleine Photonen einzufangen“, erklärte der spanische Physiker.

Das Projekt ist auf eine millionenschwere Investition angewiesen. Im Jahr 2014 wurden die Kosten von DUNE auf rund 1,9 Milliarden US-Dollar geschätzt. Seitdem kam es bei dem Test zu Verzögerungen und Kosten, und das Energieministerium beschloss, die Größe des in South Dakota stationierten Detektors nahezu zu halbieren. In der kleineren Version wird die heutige Investition jedoch oben berechnet 3 Milliarden Dollar.

Was die Fristen angeht, ist Fermilab vorsichtig. Sie hoffen, die erste Phase der Neutrinostrahltests im Jahr 2031 starten zu können, nachdem der Bau des unterirdischen Netzwerks abgeschlossen ist. Es wird erwartet, dass in weiteren sieben Jahren einige Geheimnisse des Universums ans Licht kommen.

Das ist ein Paradoxon. Neutrinos haben keinen Einfluss auf die Alltagsgegenstände um uns herum, können aber Antworten auf unergründliche Geheimnisse über den Ursprung des Universums liefern. Neutrinos und ihre Antimaterie-Cousins, die Antineutrinos, gibt es je nach Art ihrer Entstehung in drei Arten: elektronische Neutrinos, Myonenneutrinos und Down-Neutrinos.

Neutrinos und Antineutrinos können unterschiedlich schnell oszillieren, eine Asymmetrie, die als Ladungsparitätsverletzung bezeichnet wird. Die Asymmetrie wird von Karottenphysikern verfolgt, weil sie erklären könnte, wie die Verschränkung von Elementarteilchen im frühen Universum unmittelbar nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie produzierte.

„Der Ursprung des Universums ist eine sehr komplexe Frage, die wir noch lange nicht vollständig verstehen. Wir hoffen, dass DUNE Aufschluss darüber geben kann, wie sich das Universum im Besonderen entwickelt hat. Dennoch, was wir in DUNE messen können (Ladungsasymmetrie in Neutrino-Oszillationen) und diese Materie-Antimaterie-Beziehung zwischen der Art und Weise, wie und wo Asymmetrie interagiert, ist komplex und erfordert zusätzliche Theorien und Experimente, um sie vollständig zu klären.“ , dachte Shirley Lee. .

Unterdessen warnte Clara Cuesta Soria: „Die Beobachtung der Unterschiede in den Schwingungen von Neutrinos und Antineutrinos in DUNE wird klären, was in den ersten Augenblicken der Geschichte des Universums geschah.“ Zunächst vernichteten sich Materie und Antimaterie ständig gegenseitig und erzeugten Energie, aber schließlich Ein Bruchteil der Materie war größer als Antimaterie, und dank ihr entstanden Atome, Sterne und die Objekte um uns herum. Ziel von DUNE ist es zu zeigen, dass es ein physikalisches Phänomen gibt, das notwendig ist, damit Materie über Antimaterie dominiert.“

Neutrinos, eines der massereichsten Teilchen im Universum, aber über sie ist wenig oder gar nichts bekannt, sie haben Masse und haben wenig Einfluss auf unser tägliches Leben, könnten Antworten im Wert von mehreren Milliarden Dollar geben. Geheimnisse der Jahre. Noch immer ungelöste Rätsel.