Diese neuen riesigen Neutrino-Detektoren erstrecken sich über drei Zustände

Dune, das Deep Underground Neutrino Experiment DUNE hat gerade den Grundstein für die bald neue Einrichtung gelegt, die die Geheimnisse des illusorischen Neutrino-Partikels enthüllt.

Die 1 Milliarde US-Dollar Das Projekt wird derzeit mit neuen Detektoren aufgerüstet, die Hunderte von Kilometern von der Hauptanlage in Chicago entfernt sind. Fast 1300 km unterhalb des Labors installieren Forscher neue Detektoren über 1,5 Kilometer unter der Erdoberfläche.

Subatomare Partikel werden von Chicago zum Sanford-Labor durch den Erdmantel geschossen, wo die massiven Detektoren die Partikel in Hunderten von Kilometern Entfernung erfassen.

DUNE-Experiment und Einrichtungen [Bildquelle : DUNE ]

Warum Neutrinos?

Neutrinos sind subatomare Teilchen mit vielen Ähnlichkeiten zum Elektron, nur Neutrinos tragen keine Ladung und sind unglaublich leicht. Die Teilchen gehören zu den am häufigsten vorkommenden im Universum, interagieren jedoch selten mit Materie. Scientific American , "Ein energiearmes Neutrino durchläuft viele Lichtjahre normaler Materie, bevor es mit irgendetwas interagiert."

Das erste Neutrino, das 1970 in einer Wasserstoffblasenkammer beobachtet wurde. Die auf dem Bild unsichtbaren Neutrinos erzeugen die auf dem Bild sichtbaren dunklen Linien. [Bildquelle : Argonne National Laboratory / Wikimedia Commons ]

Das Erkennen der Partikel ist eine immens schwierige Herausforderung. Die jüngsten Entdeckungen über Neutrinos helfen Wissenschaftlern jedoch, die grundlegenden Eigenschaften von Materie, Energie, Raum und Zeit besser zu verstehen.

"Sie könnten auch neue, exotische physikalische Prozesse enthüllen, die bisher außerhalb unserer Reichweite lagen" erklärt DUNE .

In den letzten Jahrzehnten haben Forscher langsam und sorgfältig die Zustände - oder Aromen - von Neutrinos entdeckt. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen drei Geschmacksrichtungen mit Fähigkeit, sich von einem Geschmack in einen anderen zu verwandeln .

"Diese Ergebnisse zeigen, dass jeder Neutrino-Geschmackszustand eine Mischung aus drei verschiedenen Massenzuständen ungleich Null ist und bis heute die überzeugendsten Beweise für die Physik jenseits des Standardmodells liefert. In einem einzigen Experiment wird DUNE eine umfassende Untersuchung der drei ermöglichen-Geschmacksmodell der Neutrinophysik mit beispiellosen Details, " DUNE beschreibt auf ihrer Online-Website .

Die neuen Detektoren, die derzeit darunter installiert werden, geben einen seltenen Einblick in die Eigenschaften, die bei der Geburt eines Neutronensterns entstanden sind. Darüber hinaus kann das Projekt in Zukunft auch Wissenschaftlern helfen, die Geburt eines Schwarzen Lochs mitzuerleben.

Partikeldetektoren können die von Supernova emittierten Neutrinos, in diesem Fall von der Supernova SN1987A, nachweisen. [Bildquelle : DUNE ]

Wissenschaftler hoffen, dass sie durch die Entschlüsselung der Geheimnisse des Neutrinos ableiten können, wie sich Materie in den frühen Tagen des Universums gebildet hat. Dann kann die Forschung genutzt werden, um neue und exotische physikalische Prozesse zu schaffen, die sich bisher dem entzogen habenwissenschaftliche Gemeinschaft im Allgemeinen.

Vielleicht noch radikaler hoffen die Forscher, dass die neuen Entdeckungen dazu beitragen, alle bekannten Kräfte unter einer Gleichung zu vereinen und zu beschreiben. Die Forschung.

Wie DUNE Neutrinos erkennt

Wie bereits beschrieben, haben Neutrinos die einwandfreie Fähigkeit, sich durch dichte Materie wie den Erdmantel zu bewegen, ohne mit Atomen zu interagieren. Beim Durchgang hinterlassen sie keine Spuren. Die Beobachtung selbst einer einzelnen Wechselwirkung erfordert eine massive WechselwirkungDetektor, der viele Jahre arbeiten muss.

Der DUNE-Ferndetektor

Im Gegensatz zu den meisten Detektoren, die schweres Wasser verwenden, verwendet der Dune Far-Detektor eine "hochmoderne LArTPC-Technologie Liquid Argon Time Projection Chamber für den am Standort Sanford Lab geplanten massiven Neutrino-Detektor". laut DUNE .

Der Dune Far Detector wird derzeit 1.475 Meter unter der Erde in der Sanford Underground Research Facility in Lead, South Dakota, installiert. [Bildquelle : DUNE ]

Vier Kryostat-Detektoren in Dune Far halten insgesamt 70.000 Tonnen aus flüssigem Argon, das als Ziel für die über 1000 Kilometer emittierten Neutrinos dient. Um das Argon in einem flüssigen Zustand zu halten, hält eine zentrale Kühleinheit die Flüssigkeit auf einem Gefrierpunkt -184 Grad Celsius

Vier kryogene Detektoren mit jeweils 17.000 Tonnen Argon dienen als Ziel für die Neutrinos. Eine zentrale Kühleinheit hält das Argon bei 184 Grad Celsius unter Null. [Bildquelle : DUNE ]

Im Inneren des Detektors befinden sich Drahtebenen, die indirekt die Anzahl und das Energieniveau jeder Kollision messen. Die Detektoren senden die Signale an ein System, das die Daten interpretiert und die Flugbahn einer einzelnen Neutrino-Wechselwirkung genau abbildet.

Wire-Ebenen erfassen indirekt Neutrino-Wechselwirkungen mit Argon. [Bildquelle : DUNE ]

Wenn ein Neutrino mit dem Argon im Detektor interagiert, werden Myon- und Protonenteilchen ausgestoßen. Dann stoßen die ausgestoßenen Teilchen Elektronen aus dem flüssigen Argon. Die Ladung kann dann von den Drahtebenen erfasst werden. Die Wechselwirkung hinterlässt Teilchenspurenwelches ein ausgeklügeltes Computersystem mit der Eingabe der gesammelten Daten zu einem visuellen Bild zusammensetzt.

Partikelspur, die entsteht, nachdem ein Neutrino mit flüssigem Argon interagiert. [Bildquelle : DUNE ]

Das folgende Video zeigt, was passiert, wenn ein Neutrino mit Argon interagiert.

Abschirmung der Detektoren vor kosmischer Strahlung

Das Vergraben der Detektoren über einen Kilometer unter der Erde scheint übertrieben, obwohl es unbedingt erforderlich ist, die Detektoren vor kosmischen Strahlen zu schützen. Kosmische Strahlen, die aus dem Weltraum stammen, bombardieren die obere Atmosphäre kontinuierlich mit energiereichen Partikeln - typischerweise Protonen. Jede Wechselwirkung löst eine Dusche ausvon Teilchen, die zur Erde hinunterströmen.

Die Detektoren sind hochempfindlich und die hochenergetischen Partikel tragen genug Energie, um die Detektoren zu stören oder zu beschädigen. Die Partikel duschen so oft ab. DUNE sagt voraus dass "kosmische Myonen mit einer Geschwindigkeit von mehr als einem pro Sekunde durch Ihre Hand gehen."

Die Neutronenphysik steckt noch in den Kinderschuhen, es werden jedoch weltweit immer mehr Detektoren gebaut. Obwohl die schwer fassbaren Teilchen immer noch ein großes Rätsel sind, hoffen die Wissenschaftler, dass die Wissenschaftler mit den neuen DUNE-Detektorzusätzen und anderen Experimenten in der Lage sein werdendas Innenleben der Teilchen und des Universums, wie wir es kennen, zusammenzusetzen.

Via DUNE

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Geschrieben von Maverick Baker