Yurii Mongol
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Das Studium der subatomaren Welt hat unser Verständnis der Gesetze des Universums revolutioniert und der Menschheit beispiellose Einblicke in tiefe Fragen gegeben. Historisch gesehen waren diese Fragen im philosophischen Bereich: Wie ist das Universum entstanden? Warum ist das Universum so wie es ist? Warum gibt es etwas statt nichts?
Gehen Sie über die Philosophie hinweg, denn die Wissenschaft hat einen entscheidenden Schritt beim Aufbau der Ausrüstung getan, die uns bei der Beantwortung solcher Fragen hilft. Dabei werden geisterhafte Teilchen, sogenannte Neutrinos, buchstäblich über eine Entfernung von 800 Meilen (fast 1.300 Kilometer) von einem Physiklabor zum anderen durch die Erde geschossen.
Eine internationale Gruppe von Physikern hat angekündigt, die ersten Signale in einem würfelförmigen Detektor namens ProtoDUNE gesehen zu haben. Dies ist ein sehr großes Sprungbrett im DUNE-Experiment, das in den nächsten zwei Jahrzehnten Amerikas Flaggschiff-Forschungsprogramm für Teilchenphysik sein wird. ProtoDUNE, das die Größe eines dreistöckigen Hauses hat, ist ein Prototyp der viel größeren Detektoren, die im DUNE-Experiment verwendet werden. Die heutige Ankündigung (18. September) zeigt, dass die ausgewählte Technologie funktioniert. [Die 18 größten ungelösten Rätsel der Physik]
Die DUNE-Detektoren werden sich im Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) außerhalb von Chicago und in der Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota, befinden. Wenn das Experiment läuft, erzeugt ein leistungsstarker Teilchenbeschleuniger bei Fermilab einen intensiven Strahl subatomarer Teilchen, die Neutrinos genannt werden, und schießt sie buchstäblich durch die Erde, um bei SURF entdeckt zu werden.
Neutrinos sind die Geister der subatomaren Welt, die fast ohne Wechselwirkungen den gesamten Planeten durchqueren können. Neutrinos haben Wissenschaftler in der Vergangenheit oft überrascht. Von ihrer beispiellosen Fähigkeit, Materie ohne Interaktion zu durchdringen, über die Tatsache, dass sie Materie und Antimaterie sehr unterschiedlich behandeln, bis zu ihrer Fähigkeit, sich von einer Version in eine andere zu verwandeln, faszinieren Neutrinos weiterhin die wissenschaftliche Gemeinschaft der Welt. Es sind diese beiden letzten Eigenschaften, die das DUNE-Experiment untersuchen wird.
Antimaterie klingt nach Science-Fiction, ist aber mit Sicherheit real. Antimaterie ist das Gegenteil von Materie; Bringe Materie und Antimaterie zusammen und sie werden in reine Energie vernichtet. Antimaterie wurde 1928 vorgeschlagen und erstmals 1931 beobachtet. In den vergangenen Jahrzehnten haben Wissenschaftler (einschließlich mir) sie bis ins kleinste Detail untersucht. Meistens wird es verstanden, mit einem sehr ärgerlichen verbleibenden Rätsel. Wenn wir Energie in Antimaterie umwandeln, machen wir eine identische Menge an Materie. Dies ist eine etablierte Wissenschaft. Das ist nicht das Problem.
Das Problem ist, dass, wenn wir diese Beobachtung mit der Idee des Urknalls kombinieren, etwas nicht zusammenhält. Schließlich war das Universum kurz nach dem Urknall voller Energie, die sich gleichermaßen in Materie und Antimaterie hätte verwandeln sollen. Unser Universum besteht jedoch ausschließlich aus Materie. Wohin ging diese Antimaterie? Diese Frage ist unbeantwortet; aber vielleicht könnte eine sorgfältige Untersuchung von Materie und Antimaterie-Neutrinos einen Unterschied aufdecken. [Urknall für die Zivilisation 10 erstaunliche Ursprungsereignisse]
Wie andere subatomare Teilchen haben Neutrinos und Antimaterie-Neutrinos, die als Antineutrinos bezeichnet werden, eine Menge, die als Spin bezeichnet wird und eine vorübergehende, wenn auch unvollkommene Ähnlichkeit mit kleinen sich drehenden Kugeln aufweist. Neutrinos und Antineutrinos drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. Wenn Sie einen Neutrinostrahl so abschießen, dass er auf Sie zukommt, können Sie die Spinachse der Neutrinos hinunterstarren. Sie würden sehen, wie sie sich im Uhrzeigersinn drehen, während sich Antineutrinos in die entgegengesetzte Richtung drehen. Da der Spin von Neutrinos und Antineutrinos das Gegenteil ist, wird ein Unterschied zwischen beiden festgestellt. Vielleicht ist dieser Unterschied ein Zeichen dafür, dass das Studium der Materie und der Antimaterie-Analoga von Neutrinos etwas Licht in dieses Rätsel bringen wird.
Es gibt eine weitere Eigenschaft von Neutrinos, die sie für das Rätsel der fehlenden Antimaterie interessant macht. Sie können sich von einer Identität zur anderen verwandeln. Wissenschaftler haben drei verschiedene Arten von Neutrinos gefunden. Ein Typ ist mit Elektronen assoziiert und heißt Elektronenneutrinos. Die beiden anderen sind mit zwei anderen subatomaren Teilchen verbunden, die Myon und Tau genannt werden und schwere Cousins des Elektrons sind.
Wenn Sie mit einer Reihe von Elektronenneutrinos beginnen und sie dann etwas später betrachten, werden Sie feststellen, dass es weniger Elektronenneutrinos gibt, als Sie begonnen haben, aber es gibt genug Myon- und Tau-Neutrinos, um das Defizit auszugleichen. Die Neutrinos verfallen nicht; sie verwandeln sich ineinander.
Es ist, als hättest du ein Zimmer voller 100 Hunde und als du später nachgesehen hast, waren es 80 Hunde, 17 Katzen und drei Papageien. Wenn Sie noch später schauen würden, wäre die Mischung noch anders.
Das Morphing, was Wissenschaftler Oszillation nennen, von Neutrinos ist ebenfalls eine gut etablierte Physik. Forscher haben es seit den 1960er Jahren vermutet; Sie waren sich ziemlich sicher, dass es 1998 real war, und sie haben das Argument 2001 entschieden. Neutrino-Oszillation tritt auf und ihre Entdeckung wurde mit dem Nobelpreis für Physik 2015 ausgezeichnet.
Das DUNE-Experiment hat mehrere Forschungsziele, aber das vielleicht dringlichste besteht darin, zuerst die Schwingung von Neutrinos und dann die Schwingung von Antineutrinos zu messen. Wenn sie unterschiedlich sind, kann es sein, dass das Verständnis dieses Prozesses im Detail uns hilft zu verstehen, warum das Universum nur aus Materie besteht. Kurz gesagt, es könnte erklären, warum wir überhaupt existieren.
Das DUNE-Experiment wird aus zwei Detektorkomplexen bestehen, einem kleineren bei Fermilab und vier größeren bei SURF. Ein Strahl Neutrinos verlässt Fermilab und geht auf die entfernten Detektoren zu. Die Anteile verschiedener Arten von Neutrinos werden an den Detektoren sowohl bei Fermilab als auch bei SURF gemessen. Die durch Neutrinooszillation verursachten Unterschiede werden gemessen, und dann wird der Vorgang für Antineutrinos wiederholt.
Die Technologie, die in den DUNE-Experimenten verwendet wird, umfasst große Behälter mit flüssigem Argon, in denen die Neutrinos interagieren und nachgewiesen werden. Jeder der größeren Detektoren bei SURF ist so hoch und breit wie ein vierstöckiges Gebäude und länger als ein Fußballfeld. Jedes wird 17.000 Tonnen flüssiges Argon enthalten.
Der ProtoDUNE-Detektor ist ein viel kleinerer Prototyp, der nur aus 800 Tonnen flüssigem Argon besteht. Das Volumen ist groß genug, um ein kleines Haus zu umfassen. Die Zusammenarbeit von DUNE-Wissenschaftlern ist weltweit und zieht Forscher aus der ganzen Welt an. Während Fermilab das Gastlabor ist, sind auch andere internationale Labors beteiligt. Eine solche Einrichtung ist das CERN, das europäische Labor für Teilchenphysik, das sich etwas außerhalb von Genf in der Schweiz befindet. Der ProtoDUNE-Detektor befindet sich am CERN, was eine lange Beziehung zwischen den Laboratorien festigt. So ist Fermilab seit langem an der Forschung mit Daten beteiligt, die vom CERN Large Hadron Collider aufgezeichnet wurden. DUNE ist die erste Investition des CERN in ein Experiment, das in einem Labor in den USA durchgeführt wird.
Die heutige Ankündigung ist groß und zeigt, dass die Flüssig-Argon-Technologie, die das Herzstück des DUNE-Experiments bilden wird, eine gute Wahl war. Ein zweiter ProtoDUNE-Detektor wird in wenigen Monaten online gehen. Die zweite Version verwendet eine etwas andere Technologie, um die Spuren von Partikeln zu beobachten, die durch seltene Neutrino-Wechselwirkungen verursacht werden. Die Testergebnisse dieser beiden Detektoren werden die Wissenschaftler zu einer Entscheidung über das endgültige Design der Detektorkomponenten führen. DUNE wird in den nächsten zehn Jahren gebaut und die ersten Detektormodule sollen 2026 in Betrieb gehen.
Don Lincoln ist Physikforscher am Fermilab. Er ist Autor von "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Bosons und anderer Dinge, die Sie umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014) und produziert eine Reihe von Videos zum naturwissenschaftlichen Unterricht. Folgen Sie ihm auf Facebook. Die in diesem Kommentar geäußerten Meinungen sind seine.
Don Lincoln hat diesen Artikel zu 's Expert Voices: Op-Ed & Insights beigetragen.