Gyles Lewis
0 
3272
529
Studiul lumii subatomice a revoluționat înțelegerea noastră a legilor universului și a oferit umanității perspective inedite în întrebări profunde. Din punct de vedere istoric, aceste întrebări au fost pe tărâmul filozofic: Cum a devenit universul în existență? De ce este universul așa cum este? De ce există ceva, în loc de nimic?
Ei bine, treceți peste filozofie, pentru că știința a făcut un pas crucial în construirea echipamentelor care ne vor ajuta să răspundem la astfel de întrebări. Și implică împușcarea particulelor fantomă numite neutrino-uri literalmente pe Pământ pe o distanță de 800 de mile (aproape 1.300 de kilometri) de la un laborator de fizică la altul.
Un grup internațional de fizicieni a anunțat că au văzut primele semnale într-un detector în formă de cub numit ProtoDUNE. Aceasta este o etapă foarte mare în experimentul DUNE, care va fi programul principal de cercetare a fizicii particulelor din America pentru următoarele două decenii. ProtoDUNE, care este de dimensiunea unei case cu trei etaje, este un prototip al detectoarelor mult mai mari care vor fi utilizate în experimentul DUNE și anunțul de astăzi (18 septembrie) demonstrează că tehnologia selectată funcționează. [Cele mai mari 18 mistere nesoluționate în fizică]
Detectoarele DUNE vor fi amplasate la Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), chiar în afara orașului Chicago și Sanford Underground Research Facility (SURF), din Lead, South Dakota. Când experimentul este în funcțiune, un accelerator de particule puternic la Fermilab va face un fascicul intens de particule subatomice numite neutrinoși, să le tragă literalmente pe Pământ, pentru a fi detectat la SURF.
Neutrinii sunt fantomele lumii subatomice, capabile să treacă pe întreaga planetă fără aproape interacțiuni. Neutrinii au surprins oamenii de știință de multe ori în trecut. De la capacitatea lor fără precedent de a trece prin materie fără să interacționeze, până la faptul că tratează materia și antimateria foarte diferit, la capacitatea lor de a se transforma dintr-o versiune în alta, neutrinii continuă să fascineze comunitatea științifică a lumii. Acestea sunt ultimele două proprietăți pe care experimentul DUNE le va investiga.
Antimateria este ceva care sună la ficțiune științifică, dar este cel mai sigur real. Antimateria este opusul materiei; reunesc materia și antimateria și se vor anihila în energie pură. Antimateria a fost propusă în 1928 și observată pentru prima dată în 1931. În deceniile intervenite, oamenii de știință (inclusiv eu) au studiat-o în detaliu chinuitor. În mare parte este înțeles, cu un mister foarte rănitor. Când transformăm energia în antimaterie, facem o cantitate identică de materie. Aceasta este o știință bine pusă la punct. Nu asta este problema.
Problema este că dacă combinăm această observație cu ideea Big Bang-ului, ceva nu se blochează. La urma urmei, la scurt timp după Big Bang, universul era plin de energie, care ar fi trebuit să se transforme în materie și antimaterie în egală măsură. Cu toate acestea, universul nostru este realizat în întregime din materie. Deci, unde s-a dus antimateria? Această întrebare nu răspunde; dar poate un studiu atent al materiei și neutrinilor antimateriali ar putea dezvălui o diferență. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Amazing Events]
La fel ca alte particule subatomice, neutrinii și neutrinii antimateri, numiți antineutrini, au o cantitate numită spin, care are o asemănare trecătoare, deși imperfectă, cu bile mici de filare. Neutrinii și antineutrinii se învârt în direcții opuse. Dacă trageți un fascicul de neutrino, astfel încât acesta se îndreaptă spre dvs., puteți privi în jos axa spinării a neutrinilor; le-ai vedea rotindu-se într-o manieră în sensul acelor de ceasornic, în timp ce antineutrinii se învârt în sens invers. Deoarece spinul neutrinos și antineutrinos este opus, acest lucru identifică o diferență între cei doi. Poate că această diferență este un semn că studierea materiei și analogii antimateriei neutrinilor vor arunca o lumină asupra acestui mister.
Există o altă proprietate a neutrinilor care îi face interesanți în multitudinea de antimaterie care lipsește ... ei pot muta de la o identitate la alta. Oamenii de știință au găsit trei tipuri distincte de neutrini. Un tip este asociat cu electronii și se numește neutroși electroni. Celelalte două sunt asociate cu alte două particule subatomice numite muon și tau, care sunt veri grei ai electronului.
Dacă începeți cu o grămadă de neutroși de electroni și apoi priviți-i puțin mai târziu, veți constata că există mai puțini neutroși de electroni decât ați început, dar există destui neutroni muoni și tau pentru a compensa deficitul. Neutrinii nu sunt în descompunere; se schimbă unul în altul.
Este ca și cum ai avea o cameră plină de 100 de câini și, când te-ai uitat mai târziu, erau 80 de câini, 17 pisici și trei papagali. Dacă ar fi privit chiar mai târziu, amestecul ar fi altfel.
Morphingul, ceea ce oamenii de știință numesc oscilația neutrinilor, este și fizica bine stabilită. Cercetătorii au bănuit-o încă din anii '60; aceștia erau destul de siguri că este real în 1998 și au înțeles argumentul în 2001. Oscilarea Neutrino are loc, iar descoperirea sa a primit premiul Nobel pentru fizică din 2015.
Experimentul DUNE are mai multe obiective de cercetare, dar poate cel mai apăsător este să măsoare mai întâi oscilația neutrinilor și apoi oscilația antineutrinilor. Dacă acestea sunt diferite, s-ar putea ca înțelegerea acestui proces mai detaliat să ne ajute să înțelegem de ce universul este făcut numai din materie. Pe scurt, s-ar putea explica de ce existăm deloc.
Experimentul DUNE va consta din două complexe de detector, unul mai mic la Fermilab și patru mai mari amplasate la SURF. Un fascicul de neutrini va părăsi Fermilab și se va îndrepta spre detectoarele îndepărtate. Proporțiile diferitelor tipuri de neutrini vor fi măsurate la detectoare atât la Fermilab, cât și la SURF. Diferențele cauzate de oscilația neutrinelor vor fi măsurate, iar apoi procesul va fi repetat pentru antineutrinos.
Tehnologia care va fi utilizată în experimentele DUNE implică cuve mari de argon lichid, în care neutrinii vor interacționa și vor fi detectați. Fiecare dintre detectoarele mai mari situate la SURF va fi la fel de înalt și lat ca o clădire cu patru etaje și mai lung decât un teren de fotbal. Fiecare va conține 17.000 tone de argon lichid.
Detectorul ProtoDUNE este un prototip mult mai mic, format din doar 800 de tone de argon lichid. Volumul este suficient de mare pentru a cuprinde o casă mică. Colaborarea oamenilor de știință DUNE este la nivel mondial, atrăgând cercetători de pe tot globul. În timp ce Fermilab este laboratorul gazdă, sunt implicate și alte laboratoare internaționale. O astfel de instalație este CERN, laboratorul european de fizică a particulelor, situat chiar în afara Geneva, Elveția. Detectorul ProtoDUNE este situat la CERN, cimentând și mai mult o relație îndelungată între laboratoare - de exemplu, Fermilab a fost implicat de mult timp în cercetarea folosind date înregistrate de colectorul de Hadroni de la CERN. DUNE este prima investiție a CERN într-un experiment desfășurat la un laborator din Statele Unite.
Anunțul de astăzi este unul mare, dovedind că tehnologia argonului lichid care va forma inima experimentului DUNE a fost o alegere bună. Un al doilea detector ProtoDUNE va veni online în câteva luni. A doua versiune folosește o tehnologie ușor diferită pentru a observa urmele de particule cauzate de interacțiunile rare de neutrini. Rezultatele testării acestor doi detectori îi vor conduce pe oamenii de știință către o decizie cu privire la proiectarea finală a componentelor detectorului. DUNE va fi construit în următorul deceniu, iar primele module de detectare sunt programate să fie funcționale în 2026.
Don Lincoln este cercetător în fizică la Fermilab. Este autorul „The Big Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), și produce o serie de videoclipuri despre educația științifică.. Urmărește-l pe Facebook. Opiniile exprimate în acest comentariu sunt ale sale.
Don Lincoln a contribuit cu acest articol la Expert Voices: Op-Ed & Insights.