Paul Sparks
0 
5231
1223
De studie van de subatomaire wereld heeft een revolutie teweeggebracht in ons begrip van de wetten van het universum en heeft de mensheid ongekende inzichten gegeven in diepe vragen. Historisch gezien waren deze vragen in het filosofische rijk: hoe is het universum ontstaan? Waarom is het universum zoals het is? Waarom is er iets in plaats van niets?
Beweeg over filosofie, want de wetenschap heeft een cruciale stap gezet bij het bouwen van de apparatuur die ons zal helpen bij het beantwoorden van vragen als deze. En het omvat het schieten van spookachtige deeltjes, neutrino's genaamd, letterlijk door de aarde over een afstand van 800 mijl (bijna 1.300 kilometer) van het ene fysisch laboratorium naar het andere..
Een internationale groep natuurkundigen heeft aangekondigd dat ze de eerste signalen hebben gezien in een kubusvormige detector genaamd ProtoDUNE. Dit is een zeer grote springplank in het DUNE-experiment, dat de komende twee decennia het vlaggenschiponderzoeksprogramma voor deeltjesfysica van Amerika zal zijn. ProtoDUNE, dat de grootte heeft van een huis met drie verdiepingen, is een prototype van de veel grotere detectoren die zullen worden gebruikt in het DUNE-experiment en de aankondiging van vandaag (18 september) toont aan dat de gekozen technologie werkt. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]
De DUNE-detectoren zullen worden geplaatst in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), net buiten Chicago, en de Sanford Underground Research Facility (SURF), in Lead, South Dakota. Wanneer het experiment aan de gang is, zal een krachtige deeltjesversneller bij Fermilab een intense straal van subatomaire deeltjes, neutrino's genaamd, maken, deze letterlijk door de aarde schieten om te worden gedetecteerd bij SURF.
Neutrino's zijn de geesten van de subatomaire wereld, die bijna zonder interacties de hele planeet kunnen passeren. Neutrino's hebben wetenschappers in het verleden vele malen verrast. Van hun ongekende vermogen om door materie heen te gaan zonder interactie, tot het feit dat ze materie en antimaterie heel anders behandelen, tot hun vermogen om van de ene versie in de andere te veranderen, neutrino's blijven de wetenschappelijke gemeenschap van de wereld fascineren. Het zijn die laatste twee eigenschappen die het DUNE-experiment zal onderzoeken.
Antimaterie is iets dat klinkt als sciencefiction, maar het is zeker echt. Antimaterie is het tegenovergestelde van materie; breng materie en antimaterie samen en ze zullen vernietigen tot pure energie. Antimaterie werd voorgesteld in 1928 en voor het eerst waargenomen in 1931. In de tussenliggende decennia hebben wetenschappers (waaronder ikzelf) het in ondragelijke details bestudeerd. Meestal wordt het begrepen, met nog een zeer irritant mysterie. Wanneer we energie omzetten in antimaterie, maken we een identieke hoeveelheid materie. Dit is een gevestigde wetenschap. Dat is niet het probleem.
Het probleem is dat als we die observatie combineren met het idee van de oerknal, er iets niet bij elkaar hangt. Immers, kort na de oerknal was het universum vol energie, die in gelijke mate in materie en antimaterie had moeten veranderen. Toch is ons universum volledig uit materie gemaakt. Dus waar is die antimaterie gebleven? Deze vraag is onbeantwoord; maar misschien zou een zorgvuldige studie van materie en antimaterie neutrino's een verschil aan het licht kunnen brengen. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Origin Events]
Net als andere subatomaire deeltjes hebben neutrino's en antimaterie-neutrino's, antineutrino's genaamd, een hoeveelheid die spin wordt genoemd, die een passerende, hoewel onvolmaakte gelijkenis heeft met kleine draaiende balletjes. Neutrino's en antineutrino's draaien in tegengestelde richtingen. Als je een neutrinostraal afschiet zodat deze naar je toe komt, kun je langs de draai-as van neutrino's staren; je zou ze met de klok mee zien draaien, terwijl antineutrino's in de tegenovergestelde richting draaien. Omdat de spin van neutrino's en antineutrino's het tegenovergestelde is, identificeert dit een verschil tussen de twee. Misschien is dat verschil een teken dat het bestuderen van de materie en antimaterie-analogen van neutrino's enig licht zal werpen op dit mysterie..
Er is nog een eigenschap van neutrino's die ze interessant maakt in het raadsel van ontbrekende antimaterie ... ze kunnen van de ene identiteit naar de andere veranderen. Wetenschappers hebben drie verschillende soorten neutrino's gevonden. Het ene type wordt geassocieerd met elektronen en wordt elektronenneutrino's genoemd. De twee andere zijn geassocieerd met twee andere subatomaire deeltjes, de muon en de tau, die zware verwanten zijn van het elektron..
Als je begint met een stel elektronenneutrino's en ze een beetje later bekijkt, zul je zien dat er minder elektronenneutrino's zijn dan waarmee je begon, maar er zijn genoeg muon- en tau-neutrino's om het tekort aan te vullen. De neutrino's zijn niet aan het vervallen; ze veranderen in elkaar.
Het is alsof je een kamer vol 100 honden hebt en, als je later keek, waren er 80 honden, 17 katten en drie papegaaien. Als je nog later zou kijken, zou de mix nog steeds anders zijn.
De morphing, wat wetenschappers oscillatie noemen, van neutrino's is ook een gevestigde fysica. Onderzoekers vermoeden het al sinds de jaren zestig; ze waren er vrij zeker van dat het echt was in 1998, en ze haalden het argument in 2001 vast. Neutrinoscillatie treedt op en de ontdekking ervan werd bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde in 2015.
Het DUNE-experiment heeft verschillende onderzoeksdoelen, maar misschien wel het meest urgente is om eerst de oscillatie van neutrino's te meten en vervolgens de oscillatie van antineutrino's. Als ze verschillend zijn, kan het zijn dat het beter begrijpen van dat proces ons helpt te begrijpen waarom het universum uitsluitend uit materie bestaat. Kortom, het zou kunnen verklaren waarom we überhaupt bestaan.
Het DUNE-experiment zal bestaan uit twee detectorcomplexen, een kleinere bij Fermilab en vier grotere bij SURF. Een straal neutrino's zal Fermilab verlaten en richting de verre detectoren gaan. Zowel bij Fermilab als bij SURF wordt bij de detectoren de verhoudingen van verschillende soorten neutrino's gemeten. De verschillen die worden veroorzaakt door neutrino-oscillatie worden gemeten en vervolgens wordt het proces herhaald voor antineutrino's.
De technologie die zal worden gebruikt in de DUNE-experimenten omvat grote vaten met vloeibaar argon, waarin de neutrino's zullen reageren en worden gedetecteerd. Elk van de grotere detectoren op SURF zal zo hoog en breed zijn als een gebouw van vier verdiepingen en langer dan een voetbalveld. Elk zal 17.000 ton vloeibaar argon bevatten.
De ProtoDUNE-detector is een veel kleiner prototype, bestaande uit slechts 800 ton vloeibaar argon. Het volume is groot genoeg om een klein huis te omvatten. De samenwerking van DUNE-wetenschappers is wereldwijd en trekt onderzoekers van over de hele wereld. Terwijl Fermilab het gastlaboratorium is, zijn ook andere internationale laboratoria betrokken. Een van die faciliteiten is CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica, net buiten Genève, Zwitserland. De ProtoDUNE-detector bevindt zich op CERN, waardoor de lange relatie tussen de laboratoria verder wordt versterkt - zo is Fermilab bijvoorbeeld al lang betrokken bij onderzoek met behulp van gegevens die zijn geregistreerd door de CERN Large Hadron Collider. DUNE is de eerste investering van CERN in een experiment dat wordt uitgevoerd in een laboratorium in de Verenigde Staten.
De aankondiging van vandaag is een grote en bewijst dat de vloeibare argon-technologie die het hart van het DUNE-experiment zal vormen, een goede keuze was. Een tweede ProtoDUNE-detector komt over een paar maanden online. De tweede versie gebruikt iets andere technologie om de sporen van deeltjes te observeren die worden veroorzaakt door zeldzame neutrino-interacties. De resultaten van het testen van deze twee detectoren zullen wetenschappers leiden tot een beslissing over het uiteindelijke ontwerp van de detectorcomponenten. DUNE zal in het komende decennium worden gebouwd en de eerste detectormodules zullen naar verwachting in 2026 operationeel zijn.
Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van 'The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind' (Johns Hopkins University Press, 2014), en hij produceert een reeks video's over wetenschappelijk onderwijs. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.
Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan 's Expert Voices: Op-Ed & Insights.