Изучаването на субатомния свят революционизира нашето разбиране за законите на Вселената и даде на човечеството безпрецедентни прозрения в дълбоки въпроси. Исторически тези въпроси са във философската област: Как се е появила вселената? Защо вселената е такава? Защо има нещо, вместо нищо?

Е, преминете към философията, защото науката е направила решаваща стъпка в изграждането на оборудване, което ще ни помогне да отговорим на такива въпроси. И това включва стрелба на призрачни частици, наречени неутрини буквално през Земята на разстояние 800 мили (близо 1300 километра) от една лаборатория по физика до друга.

Международна група от физици обяви , че са видели първите сигнали в кубовиден детектор, наречен ProtoDUNE. Това е много голям етап в експеримента DUNE, който ще бъде водещата научноизследователска програма за физика на частиците в САЩ за следващите две десетилетия. ProtoDUNE, който е размерът на триетажна къща, е прототип на много по-големи детектори, които ще бъдат използвани в експеримента DUNE, а днес (18 септември) обявяването показва, че избраната технология работи. [ 18-те най-големи неразрешени мистерии във физиката ]

Детекторите DUNE ще бъдат разположени в Националната лаборатория за ускоряване на Fermi (Fermilab), малко извън Чикаго, и в Sanford Underground Research Facility (SURF), в олово, Южна Дакота. Когато експериментът започне да тече, мощният ускорителна частиците в Fermilab ще направи интензивен лъч от субатомни частици, наречени неутрини, да ги застреля буквално през Земята и да бъде открит в SURF.

Неутрините са призраците на субатомния свят, способни да преминат през цялата планета с почти никакви взаимодействия. Неутрините многократно са изненадвали учените в миналото. От безпрецедентната им способност да преминават през материята без да взаимодействат, с факта, че те третират материята и антиматерията много различно, до способността им да се променят от една версия в друга, неутринотата продължава да очарова световната научна общност. Това са последните две свойства, които експериментът DUNE ще разследва.

Антиматерията е нещо, което звучи като научна фантастика, но това наистина е реално. Антиматерията е противоположна на материята; носят материя и антиматерия заедно и ще унищожат в чиста енергия. Антиматерията е предложена през 1928 г. и за първи път е била наблюдавана през 1931 г. През следващите десетилетия учените (включително мен) я изучават в изнервящи подробности. Обикновено се разбира, с една много трескава оставаща мистерия. Когато превръщаме енергията в антиматерия, правим еднакво количество материя. Това е утвърдена наука. Това не е проблемът.

Проблемът е, че ако комбинираме това наблюдение с идеята за Големия взрив, нещо не остава заедно. В крайна сметка, малко след Големия взрив вселената беше пълна с енергия, която трябваше да се превърне в материя и антиматерия еднакво. И все пак нашата вселена се състои изцяло от материя. И така, къде отиде този антиматерия ? Този въпрос не е отговорен; но може би едно внимателно изследване на материята и неутроните на антиматерията може да разкрие разликата. [ Голям взрив на цивилизацията 10 събития от невероятно произведение ]

Подобно на други субатомни частици, неутрино и антиматерия неутрино, наречени antineutrinos, имат количество, наречено spin, което има пропуск, макар и несъвършена, прилика с малки въртящи се топки. Неутрините и антинеутрините се въртят в противоположни посоки. Ако заснемете нетриновия лъч, така че той идва към вас, можете да се вгледате в оста на въртене на неутрино; ще ги видите да се въртят по посока на часовниковата стрелка, докато antineutrinos върти в обратната посока. Тъй като спинът на неутрините и антинеутрините са обратното, това идентифицира разликата между двете. Може би тази разлика е знак, че изучаването на материята и анатомите на антиматерията на неутрините ще хвърлят светлина върху тази мистерия.

Има друго свойство на неутрино, което ги прави интересни в загадката на липсващия антиматерия … те могат да се променят от една идентичност в друга . Учените са открили три различни типа неутрино . Един тип е свързан с електрони и се нарича електронутрини. Двата други са свързани с две други субатомни частици, наречени муон и тау, които са тежки братовчеди на електрона.

Ако започнете с куп електронни неутрино и след това ги погледнете малко по-късно, ще откриете, че има по-малко електронни неутрино, отколкото сте започнали, но има достатъчно мион и тау неутрино, за да компенсират дефицита. Неутроните не се разпадат; те се променят един в друг.

Сякаш имаше стая, пълна със 100 кучета, и когато погледна по-късно, имаше 80 кучета, 17 котки и три папагала. Ако погледнете дори по-късно, миксът все още ще е различен.

Морфирането, което учените наричат ​​трептене, на неутрино е и утвърдена физика. Изследователите го подозират от 60-те години на миналия век; те са били доста сигурен, че е реално през 1998 г., и те сключиха аргумента, през 2001 г. Neutrino трептене се появява и неговото откритие е награден с 2015 Нобелова награда за физика .

В ДЮН експеримента има няколко изследователски цели , но може би най-неотложните е първо да се измери на трептенията на неутрино, а след това на трептенията на antineutrinos. Ако те са различни, може да е, че разбирането на този процес по-подробно ще ни помогне да разберем защо вселената е направена единствено от материята. Накратко, това може да обясни защо изобщо съществуваме.

В ДЮН експеримент се състои от две детекторни комплекси, по-малък в Fermilab, и четири по-големи, разположени в SURF. Гредата неутрино ще напусне Фермилаб и ще се насочи към далечните детектори. Пропорциите на различните видове неутрино ще бъдат измерени при детекторите както в Fermilab, така и в SURF. Разликите, причинени от трептенията на неутрино, ще бъдат измерени и след това процесът ще бъде повторен за антинеутрино.

Технологията, която ще бъде използвана при експериментите на DUNE, включва големи вани с течен аргон , в които неутрините ще взаимодействат и ще бъдат открити. Всеки от по-големите детектори, намиращи се в SURF, ще бъде висок и широк като четири етажна сграда и по-дълъг от футболно игрище. Всеки ще съдържа 17 000 тона течен аргон.

Detector ProtoDUNE е много по-малък прототип, състоящ се само от 800 тона течен аргон. Обемът е достатъчно голям, за да обхване една малка къща. 

Сътрудничеството на учените на DUNE е в световен мащаб, привличайки изследователи от цял ​​свят. Докато Fermilab е приемащата лаборатория, участват и други международни лаборатории. Едно такова съоръжение е лабораторията за европейска физика на частиците CERN , разположена точно извън Женева, Швейцария. Детекторът ProtoDUNE се намира в CERN, като по този начин се укрепват дългите отношения между лабораториите – например Fermilab отдавна участва в изследванията, използвайки данните, записани от CERN Large Hadron Collider. DUNE е първата инвестиция на CERN в експеримент, провеждан в лаборатория в САЩ.

Днешното съобщение е голямо, доказващо, че технологията с течен аргон, която ще формира сърцето на експеримента DUNE, е добър избор. Втори детектор ProTone ще дойде онлайн след няколко месеца. Втората версия използва малко по-различна технология, за да наблюдава парчетата частици, причинени от редките взаимодействия на неутрините. Резултатите от тестването на тези два детектора ще насочат учените към решение за окончателното проектиране на компонентите на детектора. 

DUNE ще бъде построена през следващото десетилетие и първите модули за детектори ще бъдат пуснати в експлоатация през 2026 г.

Първоначално публикувано на  Live Science .

Дон Линкълн е изследовател по физика в  Fermilab . Той е автор на “ Големият адронен колайдер“: Извънредната история на „Хигс бозон“ и други неща, които ще надуят ума ви „(Johns Hopkins University Press, 2014) и той произвежда редица видеоклипове за научно образование  

 авторизиран превод Мария Герасова