Vova Krasen
0 
4307
1109
Studie subatomického světa způsobila revoluci v našem chápání zákonů vesmíru a poskytla lidstvu bezprecedentní vhled do hlubokých otázek. Historicky byly tyto otázky ve filosofické říši: Jak vznikl vesmír? Proč je vesmír takový, jaký je? Proč něco existuje, ne nic?
Pojďme přes filozofii, protože věda učinila zásadní krok ve vytváření vybavení, které nám pomůže odpovědět na takové otázky. A zahrnuje střelbu strašidelných částic zvaných neutrinos doslova Zemí na vzdálenost 800 mil (téměř 1300 km) z jedné fyzikální laboratoře do druhé.
Mezinárodní skupina fyziků oznámila, že první signály viděla v detektoru ve tvaru krychle zvaném ProtoDUNE. Toto je velmi velký odrazový můstek v experimentu DUNE, který bude v příštích dvou desetiletích stěžejním výzkumným programem americké fyziky částic. ProtoDUNE, což je velikost třípodlažního domu, je prototypem mnohem větších detektorů, které budou použity v experimentu DUNE a dnešní oznámení (18. září) ukazuje, že zvolená technologie funguje. [18 největších nevyřešených záhad ve fyzice]
Detektory DUNE budou umístěny v Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), těsně před Chicagem, a v Sanfordském podzemním výzkumném zařízení (SURF), ve Lead, South Dakota. Když je experiment spuštěn, výkonný urychlovač částic ve Fermilabu vytvoří intenzivní paprsek subatomických částic nazývaných neutrina, doslova je zastřelí přes Zemi, aby byl detekován na SURF.
Neutrina jsou duchové subatomického světa, kteří jsou schopni projít celou planetou téměř bez interakcí. Neutrinos vědce v minulosti mnohokrát překvapil. Od jejich bezprecedentní schopnosti projít hmotou bez interakce, přes skutečnost, že s hmotou a antihmotou zacházejí velmi odlišně, až po schopnost morfovat z jedné verze do druhé, neutrinos stále fascinuje světovou vědeckou komunitu. Právě ty poslední dvě vlastnosti bude zkoumat experiment DUNE.
Antihmota je něco, co zní jako sci-fi, ale je to určitě skutečné. Antihmota je opakem hmoty; spojit hmotu a antihmotu dohromady a zničí se na čistou energii. Antihmota byla navržena v roce 1928 a poprvé pozorována v roce 1931. V předešlých desetiletích ji vědci (včetně mě) studovali podrobně. Většinou se to rozumí, s jedním velmi nepříjemným zbývajícím tajemstvím. Když přeměníme energii na antihmotu, vyrobíme stejné množství hmoty. Toto je zavedená věda. To není problém.
Problém je, že pokud spojíme toto pozorování s myšlenkou Velkého třesku, něco nesedí spolu. Koneckonců, krátce po Velkém třesku, byl vesmír plný energie, která se měla stejně proměnit v hmotu a antihmotu. Přesto náš vesmír je vyroben výhradně z hmoty. Kam tedy ten antihmota šel? Tato otázka není zodpovězena; ale možná pečlivé studium hmoty a antihmotových neutrin by mohlo odhalit rozdíl. [Velký třesk civilizace 10 úžasných událostí původu]
Stejně jako jiné subatomické částice, i neutrina a antihmota neutrina, nazývaná antineutrina, mají množství zvané rotace, které má průchod, byť nedokonalý, připomínající malé rotující koule. Neutrina a antineutrina se točí v opačných směrech. Pokud střílíte neutrinový paprsek tak, že se blíží k vám, můžete zírat osou rotace neutrin; viděli byste, jak se točí ve směru hodinových ručiček, zatímco antineutrina se točí opačným směrem. Protože rotace neutrin a antineutrin je opačná, identifikuje to rozdíl mezi nimi. Možná je tento rozdíl znamením, že studium této hmoty a antihmotových analogů neutrin bude vrhat nějaké světlo na toto tajemství.
Existuje další vlastnost neutrin, která je činí zajímavými v hlavolamu chybějícího antihmoty ... mohou proměnit z jedné identity na druhou. Vědec našel tři odlišné typy neutrin. Jeden typ je spojen s elektrony a nazývá se elektronová neutrina. Dva další jsou spojeny se dvěma dalšími subatomickými částicemi, které se nazývají mion a tau, což jsou těžké sestřenice elektronu..
Pokud začnete s partou elektronových neutrin a poté se na ně podíváte o něco později, zjistíte, že je jich tam méně, než jste začínali, ale existuje dostatek neutronů mionu a tau, aby se tento deficit vyrovnal. Neutrina neklesají; mění se na sebe.
Bylo to, jako byste měli místnost plnou 100 psů, a když jste se podívali později, bylo tam 80 psů, 17 koček a tři papoušci. Pokud byste se podívali ještě později, mix by byl stále jiný.
Morfování neutrin, které vědci nazývají oscilací, je také dobře zavedenou fyzikou. Vědci to podezřeli od šedesátých let; byli si zcela jisti, že to bylo skutečné v roce 1998, a argumentovali v roce 2001. Nastává oscilace Neutrin a její objev byl oceněn Nobelovou cenou za fyziku za rok 2015.
Experiment DUNE má několik výzkumných cílů, ale možná nejnaléhavějším je nejprve změřit oscilaci neutrin a potom oscilaci antineutrin. Pokud se liší, je možné, že porozumění tomuto procesu podrobněji nám pomůže pochopit, proč je vesmír tvořen pouze hmotou. Stručně řečeno, mohlo by to vysvětlit, proč vůbec existuje.
Experiment DUNE bude sestávat ze dvou detektorových komplexů, jednoho menšího ve Fermilabu a čtyřech větších komplexů umístěných na SURF. Paprsek neutrinů opustí Fermilab a zamíří ke vzdáleným detektorům. Poměry různých typů neutrin se budou měřit na detektorech ve Fermilabu i na SURF. Změří se rozdíly způsobené oscilací neutrinů a poté se postup opakuje pro antineutriny.
Technologie, která bude použita v experimentech DUNE, zahrnuje velké nádrže kapalného argonu, ve kterých budou neutrina interagovat a detekovat. Každý z větších detektorů na SURF bude stejně vysoký a široký jako čtyřpodlažní budova a delší než fotbalové hřiště. Každý z nich bude obsahovat 17 000 tun tekutého argonu.
Detektor ProtoDUNE je mnohem menší prototyp sestávající z pouhých 800 tun kapalného argonu. Svazek je dostatečně velký, aby obsahoval malý dům. Spolupráce vědců DUNE je celosvětová a přitahuje vědce z celého světa. Zatímco Fermilab je hostitelskou laboratoří, jsou zapojeny i další mezinárodní laboratoře. Jedním takovým zařízením je CERN, evropská laboratoř pro fyziku částic, která se nachází hned za Ženevou ve Švýcarsku. Detektor ProtoDUNE je umístěn v CERNu, což dále upevňuje dlouhý vztah mezi laboratořemi - například Fermilab se dlouhodobě podílí na výzkumu pomocí dat zaznamenaných CERN Large Hadron Collider. DUNE je první investicí CERNu do experimentu prováděného v laboratoři ve Spojených státech.
Dnešní oznámení je velké a dokazuje, že technologie kapalného argonu, která bude tvořit jádro experimentu DUNE, byla dobrá volba. Druhý detektor ProtoDUNE se uvede do provozu za několik měsíců. Druhá verze používá mírně odlišnou technologii k pozorování stop částic způsobených vzácnými interakcemi neutrin. Výsledky testování těchto dvou detektorů povedou vědce k rozhodnutí o konečném návrhu komponent detektoru. DUNE bude postaven v příštím desetiletí a první detekční moduly jsou naplánovány na provoz v roce 2026.
Don Lincoln je výzkumník fyziky ve společnosti Fermilab. Je autorem knihy „The Large Hadron Collider: Mimořádný příběh Higgsova bosona a dalších látek, které vám vyfouknou mysl“ (Johns Hopkins University Press, 2014), a produkuje řadu videí o přírodovědném vzdělávání.. Sledujte ho na Facebooku. Názory vyjádřené v tomto komentáři jsou jeho.
Don Lincoln přispěl tímto článkem do časopisu Expert Voices: Op-Ed & Insights.