Binnen de mijllange missie om een ​​belangrijk natuurkundig mysterie op te lossen

By | February 4, 2024

Neutrino’s zijn de geesten van de subatomaire wereld. Omdat ze slechts de kleinste interacties hebben met gewone materie, kunnen ze de hele aarde doordringen met weinig kans op interactie. Het zijn ook kwantumkameleons, wat betekent dat de drie verschillende soorten neutrino’s van identiteit kunnen veranderen, waarbij het ene type het andere wordt voordat het weer terugschakelt. En misschien wel het allerbelangrijkste: onderzoek naar dit identiteitsveranderende gedrag zou kunnen verklaren waarom ons vertrouwde universum er zo uitziet.

Vanwege deze en andere intrigerende eigenschappen bouwen wetenschappers van het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab, net buiten Chicago) een krachtige nieuwe straal neutrino’s om hun gedrag beter te begrijpen. Een recente mijlpaal heeft hen aanzienlijk dichter bij het bereiken van hun doelen gebracht.

Het diepe ondergrondse neutrino-experiment

Het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) zal een straal neutrino’s van de Fermilab-campus, 1.300 kilometer verderop, naar een detectorcomplex in South Dakota schieten. De detectoren zullen worden gehuisvest in de Sanford Underground Research Facility (SURF), gelegen in een verlaten goudmijn in een stad genaamd Lead.

Het Deep Underground Neutrino Experiment zal ‘s werelds meest intense straal van hoogenergetische versneller-neutrino’s produceren in Fermilab in Illinois en deze 1300 kilometer rechtstreeks door de aarde sturen naar kilometerdiepe detectoren in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Neutrino’s, die zelden ergens mee interageren, kunnen door de aarde gaan zonder dat er een tunnel nodig is. (Afbeelding tegoed: Diana Brandonisio)

Wanneer DUNE volledig voltooid is, zal het bestaan ​​uit vier grote detectoren, gehuisvest in drie enorme grotten, ongeveer anderhalve kilometer onder de Black Hills. Elke detector zal 17.500 ton vloeibaar argon bevatten als het materiaal dat een deel van de neutrino’s zal detecteren die er doorheen gaan. Normaal gesproken is argon een gas dat ongeveer 1% van de chemische samenstelling van de atmosfeer uitmaakt. Wanneer het echter wordt geëxtraheerd, gezuiverd en afgekoeld tot -186°C (-300°F), wordt het een transparante vloeistof. Wanneer neutrino’s door argon gaan, reageert een klein percentage ervan op elkaar, waardoor zowel een vluchtige lichtflits als elektrische signalen worden geproduceerd. Met deze informatie kunnen onderzoekers de aard van de interactie bepalen en bepalen of het neutrino van identiteit veranderde terwijl het van de ene faciliteit naar de andere reisde.

Het meest recente resultaat was de voltooiing van de uitgraving van de grotten waarin de detectoren zullen worden ondergebracht. De afgelopen drie jaar hebben mijnwerkers bijna een miljoen ton steen per kilometer ondergronds opgegraven en naar de oppervlakte gebracht. Om dit te doen moest het mijnbouwteam hun uitrusting demonteren, in een lange liftschacht laten zakken en ondergronds weer in elkaar zetten. Het resultaat is een groot volume dat een oppervlakte bestrijkt ter grootte van ongeveer acht voetbalvelden.

Midden in de stad wordt een tunnel gebouwd.

De DUNE-detectoren in South Dakota zullen naar verwachting het grootste ondergrondse cryogene systeem ter wereld zijn. (Bron: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility)

De volgende stap bij de voorbereiding op DUNE-gebruik is het installeren van alle voorzieningen die nodig zijn om de detector te bedienen: elektriciteit, ventilatie, airconditioning en soortgelijke systemen. Zodra de grotten gereed worden geacht voor bewoning, zullen bouwploegen beginnen met het installeren van de infrastructuur die nodig is om de detectoren te monteren. Omdat de detectoren duizenden tonnen feitelijk vloeibare lucht zullen bevatten, zal de infrastructuur een enorme hoeveelheid isolatie vereisen. Gehoopt wordt dat de eerste van deze geïsoleerde infrastructuur later in 2024 zal worden geïnstalleerd.

Na het installeren van de ondersteunende structuur beginnen wetenschappers met het installeren van de detectoren. Hoewel prototypedetectoren met succes zijn getest, worden er nog steeds operationele detectoren gebouwd. Gehoopt wordt dat de eerste detector in 2028 kan beginnen met het verzamelen van gegevens en dat er in de daaropvolgende jaren nog meer detectoren online kunnen komen. Omdat neutrino’s zo zelden met elkaar interageren, bestaat er geen gevaar voor onderzoekers en bouwploegen, waardoor volgende detectorcomponenten kunnen worden geïnstalleerd terwijl de eerste gegevens verzamelen.

Wat DUNE wil oplossen

DUNE voert verschillende soorten metingen uit. Het belangrijkste doel is om de transformatie-eigenschappen van neutrino’s en hun antimaterie-analogen te bestuderen. Antimaterie is een familielid van gewone materie. Wanneer vele vormen van materie en antimaterie zich combineren, komen er grote hoeveelheden energie vrij; Antimaterie-neutrino’s werken echter zeer zelden samen, zoals materie-neutrino’s.

Er zijn drie varianten van neutrino’s, genoemd naar deeltjes die vaak gevormd worden bij neutrino-interacties: elektronen, muonen en taudeeltjes. Muonen en taudeeltjes zijn in wezen zware en onstabiele elektronen. Fermilab zal een straal van bijna pure muon-neutrino’s produceren en vervolgens de externe detector gebruiken om te observeren hoeveel er zich bekeren op weg naar de externe detector. Het experiment wordt vervolgens herhaald met een straal antimaterie-muon-neutrino’s.

De geaccepteerde theorie van de subatomaire wereld (het standaardmodel genoemd) suggereert dat de transformatie-eigenschappen voor materie en antimaterie hetzelfde zijn. Als ze echter verschillend zijn, kan dit belangrijke vragen over ons universum helpen verhelderen. De huidige theorieën gaan ervan uit dat het universum uit gelijke delen materie en antimaterie zou moeten bestaan. Omdat alleen materie is waargenomen, blijft deze discrepantie een prangende puzzel in de moderne natuurkunde.

Eenmaal operationeel zullen DUNE-wetenschappers de transformatie-eigenschappen van materie- en antimaterie-neutrino’s bestuderen. Als dit anders is, kan dit een aanwijzing zijn voor het oplossen van de materie-antimaterie-puzzel. De eerste fysieke resultaten van deze experimenten zouden eind jaren twintig beschikbaar moeten zijn.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *