Рабочие устанавливают прототип детектора DUNE

Этим летом в Америке начнется строительство для нового эксперимента физики элементарных частиц. DUNE – эксперимент по детектированию нейтрино глубоко под землей, будет исследовать несколько субатомных частиц. В этом эксперименте ученые собираются выстреливать сильные лучи нейтрино через земную кору – максимальная глубина достигнет 48 километров. Возможно, это позволит открыть несколько главных загадок вселенной.

Эксперимент, проводимый международной коллаборацией ученых, имеет протяженность 1300 километров. Стартовав в Национальной Ускорительной Лаборатории имени Ферми, он закончится в Стэндфордской подземной установке.

Заглянем глубже

Нейтрино не помешает 1,300 километров горной породы. Нейтрино это фермион, имеющий нулевой заряд и самую маленькую массу из всех известных частиц. Скорость нейтрино приближается к скорости света, и они почти не взаимодействуют с обычной материей. Они свободно распространяются по вселенной, не встречая преград.

Как ученые их обнаружили? Для этого нам и нужны криогенные детекторы. DUNE будет включать в себя два подземных детектора, расположенных на 1,300 километров друг от друга. Интенсивный луч нейтрино будет пущен сквозь эти детекторы, состоящие из больших танкеров с жидким аргоном. Насколько больших? В высоту танкер будет как шесть этажей, а в длину как футбольное поле. А наполнен он будет семнадцатью тысячами тонн охлажденного аргона.

Мы же знаем, что нейтрино очень слабо реагирует с материей, как их тогда замечают? Нейтрино, конечно, слабо взаимодействует с веществом, однако может произойти столкновение с ядром атома. Малая доля частиц из направленного луча столкнется с атомом аргона. При ударе возникнет вспышка, которую засекут детекторы внутри. Тогда можно будет приниматься за анализ собранных данных. Из-за того, что взаимодействие такое слабое, все необходимо поместить глубоко под землю, чтобы отгородить детекторы от космических лучей и лишнего излучения.

Знакомство с нейтрино

Ученым нравиться изучать нейтрино по многим причинам, и одна из них это солнечное ядро. В термоядерном процессе образуются нейтрино и фотоны с высокой энергией. Фотоны поглощаются и излучаются заново с меньшей энергией. Этот процесс идет в плотной солнечной плазме и нужно до миллиона лет, чтобы энергия солнечного ядра дошла до Земли. Таким образом, ученым остается изучать нейтрино, которое добирается до нашей планеты гораздо быстрее.

Но не все так просто с солнечным нейтрино. Как мы знаем, нейтрино может быть трех «ароматов» — электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино, а также их античастицы. И при движении нейтрино может переходить из одного состояния в другое.

Но когда в 1960х ученые пытались детектировать эти частицы, они получили гораздо меньше столкновений, чем предсказывала теория. Вскоре физики нашли этому причину. Так происходило как раз из-за переходов нейтрино между тремя «ароматами», когда детекторы могли засечь только электронное нейтрино. За это открытие была присуждена нобелевская премия.

Теперь можем вернуться к DUNE. Это контролируемый эксперимент, который поможет понять изменения «ароматов». Можно будет сравнить «аромат» испущенного нейтрино с полученным. Таким образом, мы получаем замечательную возможность изучить квантовую природу этих превращений. Также ученые могут мерить массу нейтрино с высокой точностью, и кто знает, может они откроют другие «ароматы».

Больше. Гораздо больше

Также DUNE поможет понять достаточно важный вопрос – как существует наша вселенная. Факт, что вселенная состоит больше из материи, а не антиматерии, один из важнейших вопросов для современной науки. В большом взрыве 13,8 миллиардов лет назад материя и антиматерия должны были возникнуть в равной пропорции. Мы знаем, что случится, если они встретятся – аннигилируют, оставив после себя только выделившуюся энергию. Так что если пропорции были бы равны, ничего сейчас бы не было.

То, что мы здесь, означает, что при большом взрыве нарушились основные законы физики. Эту головоломку ученые называют нарушением симметричности зарядовой четности – или СР-симметрией. Ускорители частиц, вроде адронного коллайдера могут изучать эту проблему, и DUNE тоже будет заниматься этим, экспериментируя с нейтрино и антинейтрино.

DUNE будет готова к эксплуатации в 2027. Надеемся, что мы сделаем великие открытия.