In een verlaten goudmijn in de buurt van Deadwood, Zuid Dakota, de bouw is begonnen aan wat misschien wel 's werelds grootste wetenschappelijke experiment is. Ik maak deel uit van een internationaal team van ongeveer 1, 000 wetenschappers verzamelden zich om dit project - het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) - te ontwerpen en uit te voeren om het meest voorkomende maar ongrijpbare materiedeeltje in het universum te bestuderen.

Daarbij, we kunnen een stap dichter komen bij het begrijpen van de oorsprong van materie en bij het voltooien van het wetenschappelijke model van hoe het universum werkt. Daarom heeft de Britse regering nu £ 65 miljoen toegezegd aan het project, waardoor het VK de op één na grootste bijdrage aan het project is, na de VS.

Deeltjesfysici zoals ik zijn gefascineerd door neutrino's vanwege hun ongewone eigenschappen, die rechtstreeks verband kunnen houden met verschijnselen die de structuur van het universum zouden kunnen verklaren. Neutrino's zijn een van de fundamentele deeltjes die niet kunnen worden afgebroken tot iets anders. Ze zijn overal maar zijn enorm moeilijk te vangen omdat ze bijna geen massa hebben, zijn niet geladen en hebben zelden interactie met andere deeltjes.

Ongeveer 100 miljard van hen reizen elke seconde door onze vingertoppen, maar bijna allemaal gaan ze door de aarde zonder enig spoor achter te laten. De meeste van deze neutrino's zijn afkomstig van kernreacties die de zon aandrijven. Neutrino's komen ook van kosmische straling die de atmosfeer raakt, of exploderende sterren. Ze werden ook in overvloed geproduceerd vlak na de geboorte van het universum.

Dat betekent door neutrino's te bestuderen en ze te vergelijken met hun tegenhanger "antineutrino's", we zouden misschien kunnen achterhalen wat er aan het begin van het universum gebeurde, wat betekende dat het grotendeels uit materie zou bestaan ​​en niet uit antimaterie. Experimenten die zijn gebouwd om neutrino's te detecteren, kunnen ons ook helpen erachter te komen of protonen vervallen, een belangrijk bewijsstuk voor het bewijzen van de ideeën van sommige wetenschappers over hoe de meeste krachten in de natuurkunde allemaal kunnen worden verklaard met behulp van een 'grote verenigde theorie'.

Om dit te doen, DUNE zal stralen neutrino's afvuren vanuit het Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois, ONS, langs een 1, Ondergronds traject van 300 km naar de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Ter vergelijking, de cirkelvormige Large Hadron Collider-deeltjesversneller die werd gebruikt om het Higgs-deeltje te vinden, heeft een omtrek van slechts 27 km, hoewel de deeltjes van DUNE door de grond zullen reizen in plaats van door een speciaal gebouwde tunnel.

De neutrino's detecteren

Neutrino's zijn er in drie soorten of "smaken" zoals ze worden genoemd:elektron-neutrino's, muon-neutrino's, en tau-neutrino's. De neutrino's die Fermilab verlaten, hebben voornamelijk een muon-smaak, maar ze kunnen veranderen of "oscilleren" terwijl ze reizen. Het detecteren van deze oscillaties zal definitieve antwoorden geven op de vragen over de aard van het neutrino en zijn rol in het universum.

Neutrino's kunnen worden gedetecteerd door het licht op te nemen, lading en type deeltje dat ze produceren wanneer ze in contact komen met bepaalde vloeistoffen. Wanneer elk neutrino arriveert, het zal een deeltje creëren dat overeenkomt met zijn smaak. Een elektron-neutrino, bijvoorbeeld, zal een elektron produceren, terwijl een muon-neutrino een muon zal produceren. Als we elektronen kunnen detecteren, weten we dat muon-neutrino's tijdens hun reis van smaak veranderden.

DUNE zal vier grote tanks gebruiken, elk met 10, 000 ton vloeibaar argon bij een temperatuur van -186℃, om de neutrino's met veel grotere precisie te detecteren dan eerdere experimenten die kleiner waren of tanks vol water gebruikten. Het experiment moet ongeveer anderhalve kilometer onder de grond plaatsvinden om te voorkomen dat de detectoren worden overspoeld door nep-neutrinosignalen van de kosmische straling die de aarde bombardeert.

De enorme gevoeligheid die door deze methode wordt geproduceerd, zal ook helpen bij het detecteren van neutrino-uitbarstingen vanuit de ruimte. Bijvoorbeeld, in 1987 zorgde een nabije exploderende ster (supernova) ervoor dat alle neutrino-detectoren in de wereld in totaal 25 neutrino-gebeurtenissen registreerden. DUNE zou duizenden neutrinoverstrooiingen kunnen waarnemen binnen een periode van ongeveer tien seconden voor een vergelijkbare supernova. Het analyseren van de samenstelling en tijdstructuur van zo'n neutrino-puls zou een revolutie teweegbrengen in ons begrip van supernova's en van neutrino-eigenschappen.

Het mysterie van de antimaterie oplossen

Dit alles zou ons moeten helpen een aantal belangrijke vragen over neutrino's te beantwoorden, bijvoorbeeld over hun massa. Neutrino's zijn zo klein dat hun massa waarschijnlijk niet is gemaakt door het Higgs-boson, onlangs ontdekt door de Large Hadron Collider, op dezelfde manier als de meeste andere elementaire deeltjes. In plaats daarvan, hun massa kan afkomstig zijn van zeer zware partnerneutrino's die zeer snel vervallen na vorming.

Deze partnerneutrino's zouden een sleutelrol hebben gespeeld in de vroege evolutie van het universum en zouden ook kunnen helpen verklaren waarom er zoveel meer materie dan antimaterie in het universum is. DUNE zal ons ook helpen uit te zoeken of neutrino's en hun antimaterie-equivalent, anti-neutrino's, identiek gedragen, het leveren van verder bewijs voor de dominantie van de materie.

Aangezien de grote hoeveelheden argon in de detector veel protonen bevatten, DUNE is ook een ideaal experiment om te zoeken naar protonverval. Onder ons huidige "standaardmodel" van de fysica dat alle fundamentele deeltjes beschrijft, het is onmogelijk voor protonen om te vervallen. Maar veel van de grote verenigde theorieën die wetenschappers samenstellen om alle krachten in het universum (behalve de zwaartekracht) te verklaren, voorspellen dat protonen vervallen, gewoon heel langzaam.

Tot nu toe hebben we geen bewijs voor protonverval, maar, als het zich voordoet, dan zou DUNE het in het vloeibare argon met millimeterprecisie moeten kunnen detecteren en lokaliseren. Dit zou kunnen helpen bewijzen of een van de grote verenigde theorieën correct is, en nogmaals, zou meer aanwijzingen kunnen geven over de dominantie van materie over antimaterie.

De nieuwe financiering, samen met de gezamenlijke inspanningen van wetenschappers van over de hele wereld, zal ons op het goede spoor zetten om de eerste gebeurtenissen in DUNE in 2024 vast te leggen. Dat betekent dat we binnen het volgende decennium enkele van de grootste mysteries van het universum hadden kunnen oplossen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.