in de natuurkunde, antimaterie is gewoon het "tegenovergestelde" van materie. Antimateriedeeltjes hebben dezelfde massa als hun tegenhangers, maar met andere eigenschappen omgedraaid; bijvoorbeeld, protonen in materie hebben een positieve lading, terwijl antiprotonen negatief zijn. Antimaterie kan in een laboratorium worden gemaakt met behulp van hoogenergetische deeltjesbotsingen, maar deze gebeurtenissen creëren bijna altijd gelijke delen van zowel antimaterie als materie en, wanneer twee tegengestelde deeltjes met elkaar in contact komen, beide worden vernietigd in een krachtige golf van pure energie.

Wat natuurkundigen in de war brengt, is dat bijna alles in het universum, mensen inbegrepen, is gemaakt van materie, niet uit gelijke delen materie en antimaterie. Terwijl we op zoek waren naar inzichten die konden verklaren wat het universum ervan weerhield om afzonderlijke materie- en antimateriestelsels te creëren, of exploderen in het niets, onderzoekers vonden enig bewijs dat het antwoord verborgen zou kunnen zijn in veel voorkomende maar slecht begrepen deeltjes die bekend staan ​​​​als neutrino's.

Een team van onderzoekers onder leiding van Christopher Mauger publiceerde resultaten van de eerste reeks experimenten die kunnen helpen bij het beantwoorden van deze en andere vragen in de fundamentele fysica. Als onderdeel van het programma Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAPTAIN), hun resultaten, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zijn een belangrijke eerste stap op weg naar het bouwen van het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), een experimentele faciliteit voor neutrino-wetenschap en deeltjesfysica-onderzoek.

Deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider bij CERN, doe experimenten met quarks, één type elementair deeltje. Deze experimenten vonden enig bewijs dat materie-antimaterie symmetrie verklaart, maar slechts een deel ervan. Experimenten op een ander type elementair deeltje, leptonen, hints dat deze deeltjes deze universele asymmetrie vollediger zouden kunnen verklaren. Eerder onderzoek naar neutrino's, een soort lepton, vond onverwachte patronen in de drie neutrino-smaken, "resultaten waarvan fysici denken dat ze ook kunnen betekenen dat hun asymmetrie groter zou kunnen zijn dan verwacht.

Maar de uitdaging bij het bestuderen van neutrino's is dat ze zelden interageren met andere deeltjes; een enkele neutrino kan een lichtjaar lood passeren zonder iets te doen. Het vinden van deze zeldzame interacties betekent dat onderzoekers een groot aantal neutrino's gedurende lange tijd moeten bestuderen. Als extra uitdaging de gestage stroom van muonen geproduceerd door kosmische stralingsinteracties in de bovenste atmosfeer kan het moeilijk maken om de zeldzame interacties te zien waar onderzoekers meer in geïnteresseerd zijn.

De oplossing? Ga 5, 000 voet onder de grond, bouw vier detectoren van 10 kiloton gevuld met vloeibaar argon, en vuur een straal neutrino's af die gemaakt zijn in een deeltjesversneller die zich op 800 mijl afstand bevindt. Dit is het uiteindelijke doel van DUNE, een internationale neutrino-onderzoeksfaciliteit gerund door Fermilab, een deeltjesfysica- en versnellerlaboratorium in de buurt van Chicago. Opgravingen voor de detector, die zal worden geïnstalleerd in de Sanford Underground Research Facility in South Dakota, zijn onderweg, en onderzoekers zijn nu bezig met experimenten voordat de eerste detector in 2022 wordt geïnstalleerd.

Als de eerste publicatie van CAPTAIN, onderzoekers hebben een belangrijke technische uitdaging aangepakt:hoe om te gaan met metingen van andere deeltjesinteracties. Bijvoorbeeld, wanneer een neutrino interageert met argon, het neutrino pikt een lading op en schopt neutronen eruit. Een groot deel van de energie van de interactie gaat in het neutron, maar het is niet mogelijk geweest om het bedrag vast te stellen. "We moeten de interacties tussen argon en neutronen begrijpen als we het experiment dat van invloed zal zijn op ons begrip van materie en antimaterie-asymmetrie goed willen doen, ' zegt Mauger.

Hij en zijn team bouwden een prototype van 400 kilogram van de DUNE-detector, bekend als Mini-CAPTAIN, en verzamelde gegevens van een neutronenbundel in het Los Alamos National Laboratory. Voormalig Penn-postdoc Jorge Chaves, die als analyseleider voor dit onderzoek werkte, zegt dat het grootste deel van het werk bestond uit het reconstrueren van de signalen van de detector tot zinvolle inzichten over de eigenschappen die ze verder willen bestuderen.

Als de allereerste dataset over neutroneninteracties in vloeibaar argon bij de energiebereiken die in DUNE zullen worden gebruikt, Chaves zegt dat hij bemoedigd is door de tot nu toe behaalde resultaten, ook al hebben ze nog aanvullende gegevens nodig. "Voordat, er was geen meting van deze interactiedoorsnede, maar nu hebben we feitelijke experimentele resultaten opgeleverd, "zegt hij. "Met meer gegevens van dezelfde kwaliteit, zouden we een nog nauwkeurigere meting kunnen doen."

Op korte termijn, het CAPTAIN-team zal zich richten op het verfijnen van de methoden die voor dit document zijn ontwikkeld en op het uitvoeren van andere experimenten voordat DUNE in 2026 begint met het verzamelen van gegevens. Zodra het project officieel van start gaat, onderzoekers hopen deze faciliteit te kunnen gebruiken om vragen uit de deeltjesfysica te beantwoorden, kernfysica, en zelfs astrofysica.

Mauger beschouwt de voortdurende inspanningen van CAPTAIN en andere projecten als "Physics R&D, " werk dat onderzoekers zal helpen belangrijke metingen te verzamelen en fenomenen te bestuderen op een manier die nog nooit eerder is gedaan. De vele verheven doelen van DUNE zullen tientallen jaren in beslag nemen, maar Mauger zegt dat wat ze proberen te bereiken de inspanning de moeite waard maakt.

"Neutrino's zijn zo moeilijk te meten, soort raadselachtig, en er is een soort van allure om te proberen te begrijpen hoe ze werken. Door dit echt interessante deeltje te bestuderen dat overal om ons heen is, en toch is het zo moeilijk te meten, dat zou de sleutel kunnen zijn om te begrijpen waarom we hier überhaupt zijn, is opwindend - en ik mag dit doen voor de kost, ' zegt Mauger.