Dit Experiment Zal Spookachtige Deeltjes Door De Aarde Schieten, Antwoord Waarom Wij Bestaan

{h1}

Een internationale groep natuurkundigen heeft aangekondigd dat ze de eerste signalen hebben gezien in een kubusvormige detector genaamd protodune.

De studie van de subatomaire wereld heeft een revolutie teweeggebracht in ons begrip van de wetten van het universum en heeft de mensheid ongekende inzichten in diepe vragen gegeven. Historisch gezien waren deze vragen in het filosofische rijk: hoe is het universum ontstaan? Waarom is het universum zoals het is? Waarom is er iets, in plaats van niets?

Wel, ga filosofie over, want de wetenschap heeft een cruciale stap gezet in het bouwen van de apparatuur die ons helpt vragen zoals deze te beantwoorden. En het gaat om het neerschieten van spookachtige deeltjes die neutrino's worden genoemd, letterlijk door de aarde over een afstand van 800 mijl (bijna 1300 kilometer) van het ene fysicalaboratorium naar het andere.

Een internationale groep natuurkundigen heeft aangekondigd dat ze de eerste signalen hebben gezien in een kubusvormige detector genaamd ProtoDUNE. Dit is een zeer grote opstap in het DUNE-experiment, dat het vlaggenschip onderzoek naar deeltjesfysica in Amerika de komende twee decennia zal zijn. ProtoDUNE, de grootte van een huis met drie verdiepingen, is een prototype van de veel grotere detectoren die in het DUNE-experiment zullen worden gebruikt en de aankondiging van vandaag (18 september) toont aan dat de geselecteerde technologie werkt. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

De DUNE-detectoren bevinden zich in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), net buiten Chicago, en de Sanford Underground Research Facility (SURF) in Lead, South Dakota. Wanneer het experiment aan de gang is, zal een krachtige deeltjesversneller bij Fermilab een intense straal van subatomaire deeltjes genaamd neutrino's maken, deze letterlijk door de aarde schieten, om gedetecteerd te worden op SURF.

Neutrino's zijn de geesten van de subatomaire wereld, in staat om de hele planeet te passeren met bijna geen interacties. Neutrino's hebben wetenschappers in het verleden vele malen verrast. Van hun ongekende vermogen om materie te passeren zonder interactie, tot het feit dat ze materie en antimaterie heel anders behandelen, en tot hun vermogen om van de ene versie naar de andere te transformeren, blijven neutrino's de wetenschappelijke gemeenschap van de wereld fascineren. Het zijn die laatste twee eigenschappen die het DUNE-experiment zal onderzoeken.

Antimaterie is iets dat klinkt als science fiction, maar het is zeer zeker echt. Antimaterie is het tegenovergestelde van materie; breng materie en antimaterie bij elkaar en ze zullen vernietigen in pure energie. Antimaterie werd voorgesteld in 1928 en voor het eerst waargenomen in 1931. In de tussenliggende decennia hebben wetenschappers (waaronder ikzelf) het in ondragelijke details bestudeerd. Meestal wordt het begrepen, met één erg irritant overgebleven mysterie. Wanneer we energie omzetten in antimaterie, maken we een identieke hoeveelheid materie. Dit is een gevestigde wetenschap. Dat is niet het probleem.

Het probleem is dat als we die waarneming combineren met het idee van de oerknal, er niet iets aan elkaar hangt. Per slot van rekening, kort na de oerknal, was het universum vol met energie, die in gelijke mate had moeten worden omgezet in materie en antimaterie. Maar ons universum bestaat volledig uit materie. Waar ging die antimaterie naartoe? Deze vraag is onbeantwoord; maar misschien kan een zorgvuldige studie van materie en antimaterie-neutrino's een verschil onthullen. [Big Bang to Civilization 10 Amazing Origin Events]

Net als andere subatomaire deeltjes hebben neutrino's en antimaterie-neutrino's, antineutrino's genaamd, een hoeveelheid die spin wordt genoemd en die een voorbijgaande, hoewel imperfecte, overeenkomst heeft met kleine draaiende ballen. Neutrino's en antineutrino's draaien in tegengestelde richtingen. Als je een neutrino-straal schiet zodat deze naar je toe komt, kun je de draaias van neutrino's naar beneden staren; je zou ze met de wijzers van de klok mee zien draaien, terwijl antineutrinos in de tegenovergestelde richting draaien. Omdat de spin van neutrino's en antineutrino's het tegenovergestelde is, identificeert dit een verschil tussen de twee. Misschien is dat verschil een teken dat het bestuderen van de materie en antimaterie-analogen van neutrino's enig licht zullen werpen op dit mysterie.

Er is een andere eigenschap van neutrino's die ze interessant maakt in het raadsel van ontbrekende antimaterie... ze kunnen van de ene identiteit naar de andere transformeren. De wetenschapper heeft drie verschillende soorten neutrino's gevonden. Eén type wordt geassocieerd met elektronen en wordt elektronneutrinos genoemd. De twee andere worden geassocieerd met twee andere subatomaire deeltjes, het muon en de tau, die zware neven zijn van het elektron.

Als je begint met een stel elektronen-neutrino's en ze dan wat later bekijkt, zul je zien dat er minder elektronenneutrino's zijn dan waarmee je bent begonnen, maar er zijn genoeg muon- en tau-neutrino's om het tekort te compenseren. De neutrino's zijn niet aan het vervallen; ze veranderen in elkaar.

Het is alsof je een kamer vol met 100 honden had en, als je later keek, er waren 80 honden, 17 katten en drie papegaaien. Als je nog later zou kijken, zou de mix nog steeds anders zijn.

De morphing, wat wetenschappers oscillatie noemen, van neutrino's is ook een gevestigde fysica. Onderzoekers hebben het al sinds de jaren zestig vermoed; ze waren er vrij zeker van dat het echt was in 1998 en ze plaatsten het argument in 2001. Neutrino-oscillatie doet zich voor en de ontdekking ervan werd bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde 2015.

Het DUNE-experiment heeft verschillende onderzoeksdoelen, maar misschien is het meest dringend om eerst de oscillatie van neutrino's en vervolgens de oscillatie van antineutrino's te meten.Als ze anders zijn, kan het zijn dat inzicht in dat proces in meer detail ons zal helpen begrijpen waarom het universum alleen uit materie bestaat. Kortom, het zou kunnen verklaren waarom we überhaupt bestaan.

Het DUNE-experiment bestaat uit twee detectorcomplexen, een kleinere bij Fermilab en vier grotere bij SURF. Een straal neutrino's verlaat Fermilab en gaat naar de verre detectoren. De proporties van verschillende soorten neutrino's worden gemeten op de detectors, zowel bij Fermilab als bij SURF. De verschillen veroorzaakt door neutrino-oscillatie zullen worden gemeten en vervolgens zal het proces worden herhaald voor antineutrinos.

De technologie die zal worden gebruikt in de DUNE-experimenten omvat grote vaten met vloeibaar argon, waarin de neutrino's zullen samenwerken en worden gedetecteerd. Elk van de grotere detectoren bij SURF is zo groot en breed als een gebouw met vier verdiepingen en langer dan een voetbalveld. Elk bevat 17.000 ton vloeibaar argon.

De ProtoDUNE-detector is een veel kleiner prototype, bestaande uit slechts 800 ton vloeibaar argon. Het volume is groot genoeg om een ​​klein huis te omvatten.
De samenwerking van DUNE-wetenschappers is wereldwijd en trekt onderzoekers van over de hele wereld. Hoewel Fermilab het gastlaboratorium is, zijn ook andere internationale laboratoria bij het onderzoek betrokken. Een van deze faciliteiten is CERN, het Europese laboratorium voor deeltjesfysica, net buiten Genève, Zwitserland. De ProtoDUNE-detector bevindt zich op CERN, waardoor een langdurige relatie tussen de laboratoria wordt gecementeerd - bijvoorbeeld, Fermilab is al lang betrokken bij onderzoek met gegevens die zijn vastgelegd door de CERN Large Hadron Collider. DUNE is de eerste investering van CERN in een experiment dat wordt uitgevoerd in een laboratorium in de Verenigde Staten.

De aankondiging van vandaag is groot en bewijst dat de vloeibare argontechnologie die het hart van het DUNE-experiment vormt een goede keuze was. Een tweede ProtoDUNE-detector komt binnen enkele maanden online. De tweede versie gebruikt enigszins andere technologie om de sporen van deeltjes te observeren die worden veroorzaakt door zeldzame neutrino-interacties. De resultaten van het testen van deze twee detectoren zullen wetenschappers leiden naar een beslissing over het definitieve ontwerp van de detectorcomponenten.
DUNE zal het volgende decennium worden gebouwd en de eerste detectormodules zijn gepland om operationeel te zijn in 2026.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.

Don Lincoln is natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Blow Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014) en hij produceert een serie video's over wetenschapseducatie. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn de zijne.

Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com