Het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is een internationale onderzoekssamenwerking gericht op het verkennen van onderwerpen die verband houden met neutrino's en protonverval, die rond 2025 zou moeten beginnen met het verzamelen van gegevens Fysieke beoordelingsbrieven , een team van onderzoekers van de Ohio State University heeft aangetoond dat DUNE het potentieel heeft om baanbrekende resultaten en inzichten over zonne-neutrino's te leveren.

Neutrino-astronomie is een vakgebied dat de verschillende soorten neutrino's bestudeert. Onderzoek op dit gebied, zoals de recente studie uitgevoerd door het team van de Ohio State University, is de afgelopen decennia enorm toegenomen.

"Zo ver we weten, neutrino's zijn elementaire deeltjes, wat betekent dat ze niet zijn samengesteld uit 'kleinere stukken, '"Francesco Capozzi, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Deze deeltjes hebben geen elektrische lading, dus ze kunnen geen elektromagnetische wisselwerking hebben via de kracht die elektronen en protonen bij elkaar houdt in een atoom."

Neutrino's zijn fascinerende deeltjes, omdat hun belangrijkste eigenschappen heel anders zijn dan die van andere elementaire deeltjes. Bijvoorbeeld, hun massa is ongelooflijk klein, ongeveer een miljoenste van de op één na lichtste deeltjes (d.w.z. elektronen).

Een ander uniek kenmerk van neutrino's is dat ze alleen kunnen interageren met andere materie via een zogenaamde 'zwakke interactie'. Zoals de naam al doet vermoeden, deze 'zwakke interactie' is veel zwakker dan de elektromagnetische; zo zwak dat neutrino's door de aarde of de zon kunnen reizen zonder ooit in contact te komen met andere deeltjes. In aanvulling, aangezien zij neutraal de leiding hebben, neutrino's worden niet beïnvloed door de magnetische velden van de aarde of de zon.

"De eigenschappen van neutrino's maken ze unieke sondes van het universum, "Zei Capozzi. "Ze kunnen informatie over regio's dragen die anders ontoegankelijk zouden zijn."

Er zijn verschillende bronnen van neutrino's, en afhankelijk van waar ze worden geproduceerd, ze kunnen verschillen in fluxen, energieën per deeltje, en andere eigenschappen. zonne-neutrino's, bijvoorbeeld, worden geproduceerd in de kern van de zon, maar kan dan ontsnappen naar andere delen van het zonnestelsel. Elke seconde bereiken ongeveer 60 miljard elektronenneutrino's per vierkante centimeter de aarde vanaf de zon. Door deze deeltjes te analyseren, kunnen onderzoekers realtime informatie ontdekken over wat er precies in het centrum van de zon gebeurt.

Een ander type neutrino omvat de neutrino's die worden geproduceerd tijdens de super-energetische explosies van massieve sterren, supernova neutrino's. Deze neutrino's bereiken de aarde uren voordat het licht geproduceerd in de explosie, en komen rechtstreeks uit het binnenste deel van een exploderende ster, waar de dichtheid zo hoog is dat zelfs neutrino's een tijdje kunnen worden opgesloten. Dit zijn slechts enkele voorbeelden van neutrinobronnen, maar er zijn talloze anderen, waarvan sommige nog niet zijn ontdekt.

"Er bestaan ​​zelfs neutrino's die zich sinds ongeveer een seconde na de oerknal vrijelijk door het universum hebben voortgeplant, die de sporen van het oorspronkelijke universum dragen, " zei Capozzi. "Echter, we hebben deze nog steeds niet kunnen detecteren."

Op basis van wat astrofysici tot nu toe hebben waargenomen, neutrino's zijn er in drie belangrijke 'smaken':elektronenneutrino's, muon-neutrino's en tau-neutrino's. Elk van deze verschillende 'smaken' wordt geïdentificeerd op basis van het geladen deeltje dat wordt geproduceerd tijdens een zwakke interactie (d.w.z. elektronen, muonen of taus).

Tot dusver, het detecteren en bestuderen van neutrino's is ongelooflijk uitdagend gebleken, voornamelijk vanwege het feit dat ze zelden interactie hebben met andere materie. Een manier om deze beperking te overwinnen, is door grote detectoren te bouwen die de lage waarschijnlijkheid van neutrino-interacties compenseren door het aantal mogelijke deeltjes waarmee ze kunnen interageren te vergroten.

De Super-Kamiokande (Super-K) detector in Japan, die in wezen bestaat uit een tank gevuld met 50, 000 ton van het zuiverste water dat op aarde beschikbaar is, is momenteel de grootste detector die beschikbaar is voor MeV (lage-energie) neutrino's. Laag-energetische neutrino's zijn die in het MeV-energiebereik, die voornamelijk worden geproduceerd in nucleaire processen, bijvoorbeeld, via fusiereacties in de zon of in het centrum van exploderende sterren.

"Een ander probleem is dat we neutrino's zelf niet kunnen zien met behulp van detectoren; we kunnen alleen het geladen deeltje zien dat wordt geproduceerd in hun interacties, " legde Capozzi uit. In Super-Kamiokande, bijvoorbeeld, we zien het licht dat deze geladen deeltjes in water uitstralen wanneer ze met bijna de snelheid van het licht reizen."

De zon is een van de belangrijkste natuurlijke bronnen van neutrino's, omdat ze worden geproduceerd via dezelfde kernreacties die de zon laten schijnen. Toen wetenschappers in de jaren zestig voor het eerst zonne-neutrino's begonnen te detecteren, ze ontdekten dat er minder elektronenneutrino's waren dan ze hadden verwacht.

"Een mogelijke verklaring voor deze anomalie was dat neutrino's hun smaak veranderden terwijl ze zich voortplantten, " legde Capozzi uit. "Dit fenomeen, nu bekend als neutrino-oscillatie, is fysiek alleen mogelijk als neutrino's massa hebben. Het duurde ongeveer 30 jaar om te bevestigen dat de zonne-neutrino-anomalie was, inderdaad, als gevolg van neutrino-oscillaties."

Eigenlijk, hoewel neutrino's in verschillende smaken komen, wetenschappers ontdekten dat ze ook kunnen oscilleren en 'smaken kunnen veranderen'. De twee natuurkundigen die dit ontdekten, Takaaki Kajita en Arthur B. McDonald, kregen in 2015 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

"Misschien is het raarste aan neutrino's dat ze oscilleren, "Shirley-Li, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Neutrino's die met één smaak zijn geboren, kunnen veranderen in neutrino's met een andere smaak nadat ze zich over enige afstand hebben verspreid. Stel je voor hoe verrast je zou zijn als je een kopje chocolade-ijs zou kopen en zou zien dat het in aardbeienijs verandert zodra je het opent op thuis. Natuurkundigen waren even verrast toen neutrino-oscillatie werd ontdekt."

Sinds de ontdekking van neutrino-oscillaties, onderzoekers hebben zonne-neutrino's gebruikt om de parameters te bepalen die hun oscillaties beschrijven. Ondanks de enorme inspanningen om dit te bereiken, veel vragen blijven onbeantwoord.

Ten eerste, onderzoekers waren niet in staat om alle kernreacties te observeren via de corresponderende neutrino's. Bijvoorbeeld, 'hep' neutrino's, die worden geproduceerd door de fusie van een kern van helium en een proton, bijzonder moeilijk te observeren zijn gebleken. In feite, terwijl hep-neutrino's de meest energieke zijn onder zonne-neutrino's, ze zijn erg klein in flux in vergelijking met andere neutrino's.

In aanvulling, de oscillatieparameters bepaald in zonne-neutrino-experimenten zijn niet volledig in overeenstemming met de metingen verzameld in andere soorten experimenten. Dit kan te wijten zijn aan een aantal onbekende fysische verschijnselen die alleen zonne-neutrino's beïnvloeden.

"We hebben geen gebrek aan vragen over zonne-neutrino's, we hebben geen detectorvoorschotten meer, "John Beacom, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org.

Vanwege de beperkingen van bestaande detectoren, de meeste huidige neutrino-experimenten zullen hoogstwaarschijnlijk geen antwoord kunnen geven op onbeantwoorde vragen. Dit inspireerde een groot en internationaal team van onderzoekers om DUNE te gaan bouwen, een grote detector in een mijn in South Dakota die 1.500 meter onder de grond ligt.

"Vroeger, er is al besproken dat DUNE kan worden gebruikt als een zonne-neutrinodetector, te, " zei Capozzi. "Echter, er is geen grondige studie in deze richting uitgevoerd. We besloten om deze kloof te overbruggen, waaruit blijkt dat DUNE daadwerkelijk in staat is om de antwoorden op die vragen te geven, met in principe geen extra geldinvestering."

In hun recente studie, Capozzi, Li, Beacom en hun collega Guanying Zhu wilden bewijzen dat de DUNE-mijn ook een toonaangevende zonne-neutrinodetector zou kunnen zijn. Om dit te doen, ze beoordeelden eerst de hoeveelheid achtergrond van de mijn, wat in wezen iets is dat wordt waargenomen in een detector die het signaal nabootst waarnaar men op zoek is, ook al heeft het een heel andere oorsprong. Deze achtergrond kan de meting en detectie van neutrino's verwarren en nadelig beïnvloeden.

"In het energiebereik dat relevant is voor zonne-neutrino's, de belangrijkste achtergrond is afkomstig van natuurlijke radioactiviteit, " legde Capozzi uit. "Aangezien het experiment zal plaatsvinden in een grot in een diepe mijn, de radioactiviteit komt van het omringende gesteente. Om een ​​inschatting te kunnen maken van de achtergrond, we moeten eerst de rotssamenstelling begrijpen die wordt verwacht voor de detectorlocatie."

Het simuleren van achtergrondgebeurtenissen in DUNE bleek enigszins uitdagend, aangezien deze uit verschillende bronnen kunnen komen, en dus om ze te identificeren vereist diepgaande analyses. Toen ze voor het eerst aan hun studie begonnen, de onderzoekers begonnen daarom de achtergrondbronnen van in het verleden uitgevoerde neutrino-experimenten te onderzoeken en berekenden deze snelheden in de context van DUNE.

"Het blijkt dat hun tarieven redelijk laag zijn in vergelijking met de signaalsnelheden, " zei Li. "Echter, halverwege onze studie, we ontdekten in de literatuur het bestaan ​​van deze specifieke achtergrond alleen voor argondetectoren. Dit zijn laagenergetische neutronen die worden geproduceerd door radioactiviteit in omringend gesteente. Dit blijkt de dominante achtergrond te zijn voor het meten van zonne-neutrino's in DUNE."

De onderzoekers baseerden hun analyses op literatuur uit het verleden die de geologische aspecten van de mijn van DUNE schetst, die van cruciaal belang zijn voor een goede opgraving. De exacte samenstelling van het gesteente in de mijn kennen, ze konden vervolgens een berekening uitvoeren om de verwachte achtergrond te voorspellen. Vervolgens, ze gebruikten statistische hulpmiddelen om de precisie te evalueren die DUNE kan bereiken bij het meten van de oscillatieparameters en de flux van neutrino's die aan de zon ontsnappen.

Nadat ze de mogelijke achtergrondbronnen in het DUNE-experiment hadden geïdentificeerd, ze probeerden strategieën te bedenken om de achtergronden te elimineren, omdat hun snelheden doorgaans veel hoger zijn dan de neutrino-signaalsnelheden. Ze kwamen met twee verschillende oplossingen:een waarbij de detector wordt omgeven met een laag plastic en de andere twee keer zo lang gegevens verzamelt om een ​​betere gevoeligheid te bereiken.

"Voor elke stap van het experiment, we moesten zorgen voor verdere details, " zei Capozzi. "Bijvoorbeeld, we moesten de neutrino-interacties zorgvuldig behandelen met de detector, die zal worden gemaakt van vloeibaar argon. Bij de energie die relevant is voor zonne-neutrino's, een zeer belangrijke interactie is met de gehele argonkern, die afhangt van gecompliceerde nucleaire effecten."

Voordat ze het potentieel van DUNE als detector gingen beoordelen om nieuwe dingen over neutrino's te ontdekken, de onderzoekers hebben alle eerdere onderzoeken over dit onderwerp beoordeeld, het vergelijken van resultaten die zijn verkregen met behulp van verschillende experimentele en theoretische kernfysische technieken. uiteindelijk, ze kozen de techniek die volgens hen geschikter was en implementeerden deze met behulp van lokale computers op hun universiteit.

"We hebben nu een theoretisch raamwerk waarmee we de kans kunnen berekenen dat neutrino's die met één smaak worden geboren, worden afgestemd op een andere smaak, " zei Li. "Dit hangt af van de energie van het neutrino en de voortplantingsafstand, evenals zes oscillatieparameters. We wilden zoveel mogelijk soorten neutrino-oscillatie meten, bijv. neutrino's waarbij een van de drie smaken oscilleert naar andere smaken, om de meest nauwkeurige metingen van de zes oscillatieparameters te krijgen, en vooral, om te evalueren of ons huidige raamwerk van neutrino-oscillatie was, inderdaad, juist."

Het DUNE-experiment is ontworpen om neutrino's specifiek te bestuderen door een flux van hoogenergetische muonneutrino's te meten die oscilleren naar elektronenneutrino's die een grote detector bereiken, de ondergrondse mijn in South Dakota. Dit zou onderzoekers uiteindelijk in staat kunnen stellen om met grotere precisie twee oscillatieparameters te meten die ruwweg werden gemeten in eerdere experimenten.

De detector die in het DUNE-experiment wordt gebruikt, is extreem groot in vergelijking met andere bestaande detectoren. Het is 40 kiloton argon waarmee neutrino's kunnen interageren, en het detecteert deeltjes via een tijdprojectiekamertechnologie, waardoor het verzamelen van 3D-beelden voor elke neutrino-interactie mogelijk wordt.

"Een natuurlijke vraag is, wat kan deze verbazingwekkende detector nog meer meten?" zei Li. "Zo kwamen we op het idee om zonneneutrino's te meten met DUNE. Vooral de oscillatie van zonne-neutrino's is interessant. Tot dusver, oscillatiepatronen van zonne-neutrino en reactorneutrino enigszins oneens. Dit kan twee redenen hebben:ofwel is er een onwaarschijnlijke statistische fluctuatie in de huidige gegevens, of ons huidige theoretische begrip van neutrino-oscillatie is niet compleet. De tweede mogelijkheid is buitengewoon spannend."

Een ander experiment genaamd JUNO, gepland voor 2020, zal neutrino's meten die uit kernreactoren komen. Zonne-neutrino's en reactorneutrino's zijn, in principe, gevoelig voor dezelfde oscillatieparameters. Dus als het door de onderzoekers voorgestelde theoretische raamwerk klopt, de parameters geïdentificeerd in het JUNO-experiment (d.w.z. voor reactorneutrino's) moeten worden afgestemd op die verzameld in het DUNE-experiment (d.w.z. voor zonne-neutrino's).

Eerdere studies hebben discrepanties gevonden tussen de oscillatieparameters van reactor- en zonne-neutrino's, maar de meer nauwkeurige metingen die in de JUNO- en DUNE-experimenten zullen worden verzameld, zouden enig licht kunnen werpen op deze discrepantie. Dit zou op zijn beurt kunnen leiden tot de ontdekking van nieuwe fysieke verschijnselen.

Tot dusver, er is enige scepsis in de natuurkundige wereld over de ondergrondse mijn van DUNE als een effectieve zonne-neutrinodetector, voornamelijk vanwege de grote hoeveelheid achtergrond die wordt verwacht, die de resultaten nadelig kunnen beïnvloeden. In hun studie hebben echter, Capozzi, Li, Zhu en Beacom hebben aangetoond dat DUNE kan leiden tot toonaangevende metingen van zonne-neutrino's, terwijl het mogelijk ook de allereerste nauwkeurige metingen van 'hep' zonne-neutrino's mogelijk maakt.

"Ondanks de scepsis, we hebben kunnen aantonen dat deze achtergrond drastisch kan worden verminderd door enkele selectiecriteria toe te passen op wat we in de detector zullen zien, " zei Capozzi. "De achtergrond links domineert het signaal alleen bij lage energieën. Het hoogenergetische deel zal 'onaangeroerd' zijn, ' en we schatten dat het zal bestaan ​​uit 100, 000 zonne-neutrino's waargenomen in vijf jaar."

Naast het demonstreren van het enorme potentieel van DUNE, Capozzi Li, Zhu, en Beacom introduceerde een reeks haalbare theoretische en experimentele verbeteringen die de prestaties van de DUNE-detector zouden kunnen verbeteren. Deze verbeteringen kunnen ook het project als geheel ten goede komen, vergemakkelijken van het onderzoek van andere fysieke verschijnselen.

Om onbeantwoorde vragen te beantwoorden, de volgende generatie neutrinodetectoren zal enorm groot moeten zijn en geavanceerde detectiemogelijkheden moeten hebben. Zelfs met deze detectoren, sommige eigenschappen en kenmerken van neutrino's zullen hoogstwaarschijnlijk een mysterie blijven, aangezien er nog tal van technische uitdagingen te overwinnen zijn.

"Zonder deze meting in DUNE, we zullen misschien nooit weten waarom zonne-neutrino's zich anders lijken te mengen dan reactor-antineutrino's, "Zei Beacom. "We zeggen niet dat het gemakkelijk zal zijn om dit te onderzoeken, maar we zeggen dat het belangrijk is."

De onderzoekers van de Ohio State University zijn nu van plan de resultaten van hun berekeningen en simulaties te delen, evenals hun suggesties voor verbetering met de astrofysische gemeenschap in het algemeen. Ze hopen dat dit tot een gesprek zal leiden en uiteindelijk veranderingen zal aanmoedigen die de prestaties van de DUNE-detector verder kunnen verbeteren voordat het experiment wordt uitgevoerd.

"We zijn verheugd om te zien dat de DUNE-samenwerking de details van onze analyse onderzoekt, en hopelijk zullen we deze analyse uitgevoerd zien wanneer DUNE online komt, " zei Li. "Over het algemeen, het is echt een opwindende tijd om neutrino's te bestuderen, omdat er zoveel interessante metingen en tests zijn die je in deze experimenten kunt doen. Ik probeer nog steeds met metingen te komen die nog niet eerder zijn overwogen en te bestuderen wat ze ons kunnen vertellen over neutrino's en fysica buiten het standaardmodel."

Een van de kerndoelen van het toekomstige onderzoek van het team is het optimaal benutten van de waarnemingen die zijn verzameld in de DUNE-mijn of het gebruik van andere grote detectoren. Om dit te doen, het team is van plan om door te gaan met het onderzoeken van nieuwe technieken die detectoren gevoeliger kunnen maken voor neutrino's geproduceerd uit astrofysische bronnen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk