科学家验证即将到来的巨大尺寸“幽灵”粒子探测器

深地下中微子实验被设计来探测宇宙的最反社会的粒子：中微子。

HARD SCIENCE — AUGUST 19, 2024

Don Lincoln

科学家工作在深地下中微子实验原型探测器上。(Credit: Dan Svoboda/Fermilab)

关键要点

在地下一英里处，一个巨大的洞穴已经被挖掘来容纳一个美国的旗舰粒子物理项目的关键组成部分，目标是来探测难以捉摸的中微子。

深地下中微子实验（DUNE）将用两个探测器，一个在费米实验室，另一个在800英里外来研究中微子振荡和可能的解释宇宙的物质统治。

原型探测器的成功运行已经提供了宝贵的见解，为深地下中微子实验的最终实施铺平了道路。

建筑专家已经在位于地下一英里处挖掘了一个巨大的洞穴。它目前正被配备有需要来容纳一个巨大的粒子探测器的基础设施，目标是来探测一种叫中微子的反社会粒子的通过。与此同时，科学家们已经构建并成功运行了这些探测器的功能原型版本，确保美国的旗舰粒子物理项目未来二十年成功。完成的挖掘和探测器原型操作在科学界的数十年来理解亚原子自然定律的奋斗中是巨大迈步。

2015年1月，一个由科学家形成的大型合作组织来创建一个有前所未有能力的中微子项目。该计划将由两个被1300公里（800英里）隔开并被将穿过两个探测器的中微子束连接的探测器组成。中微子的束将被在位于刚好芝加哥以西的费米国家加速器实验室（Fermilab）创造，并将射过地球到南达科他州黑山桑福德地下研究设施（SURF）。南达科他州黑山桑福德地下研究设施于2006年被在废弃的厚木斯塔克（Homestake）金矿创建。近二十年来，科学家们已经用位于地下一英里的南达科他州黑山桑福德地下研究设施的一个洞穴来做实验，否则因为来自太空的宇宙射线的稳定降雨这些实验已经是不可能的。设施上方的岩石屏蔽了实验。2017年，在南达科他州黑山桑福德地下研究设施开始挖掘来建造一个远更大的洞穴。这个新洞穴需要移除近一百万吨的岩石。挖掘工作于今年早些时候完成。

深地下中微子实验

探测器项目叫深地下中微子实验（DUNE），是深地下中微子实验的缩写。将有两个叫近探测器和远探测器的探测器。近探测器将位于费米实验室，而远探测器将位于南达科他州黑山桑福德地下研究设施。远探测器将是巨大的，由7万吨液态氩组成。远探测器的体积相当于12个奥运会规模的游泳池。

费米实验室将首先发射中微子束通过近探测器，在中微子束穿过1300公里的岩石后穿过远探测器。科学家们将比较在这两个地点做出的测量结果来研究在中微子从一个设施传到另一个设施的期间如何变化。

中微子最常被核反应创造，它们只通过所谓的弱核力相互作用。因为弱核力是……嗯……弱的，中微子很罕见的相互作用，允许它们来容易穿过物质旅行。一个中微子的束可以穿过地球，仅有一个小的相互作用机会。

然而，尽管中微子的害羞天生，但非常少的中微子确实相互作用。粗略地说，对每10万亿个中微子通过每个计划的探测器只有一个将相互作用。对近探测器，这计算出大约每秒50次相互作用；然而对远更远的远探测器，探测率被预计更像是每10分钟一次相互作用。这种差异的统治原因呢？就像一个手电筒一样，光束随它旅行散播出去。由费米实验室发射的大多数中微子都错过远探测器。.

中微子的非常罕见的相互作用概率使它们来研究挑战的。然而，科学家们对它们非常感兴趣，因为仅在中微子一种独特的行为被看到：它们改变它们的身份。中微子有三种已知的形式，它们可以彼此转化。这就像一只猫可以变成一只美洲虎，然后在再变成一只猫之前变成一只老虎。这种转换行为被称为“中微子振荡”。它仍然没有被完全理解。

深地下中微子实验科学家将研究中微子振荡但有一个转折。宇宙完全由物质组成，但我们的自然法则的最佳理解提示我们的宇宙应该被等量的物质和反物质组成。反物质是一种远更像物质一样但也许更准确的被特征为物质的邪恶双胞胎。将物质和反物质结合而它们将在一个壮观的能量释放中彼此湮灭。

为什么宇宙偏爱物质？

反物质于1928年被预测并于1932年首次被发现。从那时起，科学家们有了反物质的一个全面的了解。对每种已知的物质形式，研究人员已经发现了一个对应的反物质版本。就像质子、中子、电子和中微子存在一样，反质子、反中子、反电子和反中微子也存在。两者都是经过充分测试的理论而实验说物质和反物质在整个宇宙中应该以等量存在。

当然，这不是我们观测的，这已经导致科学家们来假设在宇宙的早期一些仍然未知的物理过程略微有利于物质而不是反物质。对每十亿个反物质粒子，有十亿个和一个物质粒子。数十亿个粒子彼此湮灭，留下微小的过剩物质粒子来创造我们今天看到的宇宙。

研究人员确实不知道为什么宇宙应该稍微偏爱物质，但他们确实有一个假设，深地下中微子实验被设计来检验这个假设。也许物质和反物质中微子略微不同的振荡。如果它们这样做，这可能是一个对宇宙的物质统治的解释。这种解释的名字是轻子创世，来自“轻子”一词——一类包括中微子的粒子——和意味着开始的“创世”。如果这是真的，轻子创世是形成了宇宙的行为的一个重要过程。

最近的成就是科学家们已经设计、建造并现在用将用在最终设施中相同设计的四个小型原型探测器运行了。探测器已被放置在费米实验室的一个中微子束中，他们已经成功探测到中微子相互作用。这些原型将提供操作经验的金矿，这将使科学家远更容易来启动和运行最终的探测器。

费米实验室深地下中微子实验光束线的奠基始于2019年，它上的工作继续。与此同时，科学家和工程师们正忙于工作在探测器上。研究人员预测，光束和第一批最终探测器的样本都可以在本十年末开始运行。

https://bigthink.com/hard-science/scientists-validate-upcoming-mega-sized-ghost-particle-detector/