Razotkrivanje misterija neutrina u Deep Underground Neutrino eksperimentu

Neutrini gledaju svoja posla. Svake sekunde, milijarde tih temeljnih čestica proći će kroz zvijezde, planete, zgrade i ljudska tijela i rijetko će ih ikada zaustaviti, poput subatomske gužve u podzemnoj željeznici. Zbog toga se često opisuju kao "duhovi" ili "neuhvatljivi".

Kada bi znanstvenici mogli stvoriti i uhvatiti rijetke slučajeve kada te sićušne i slabo interaktivne čestice nalete na nešto, mogli bi zakoračiti u sivu zonu koju se svi fizičari nadaju istražiti, rekao je teorijski fizičar Patrick Huber: činjenice koje postoje izvan standardnog modela fizike čestica, izvan njenog objašnjenja. Tamo žive neutrini, kao i tamna tvar.

Ponašanje neutrina, ako se točno mjeri, moglo bi sadržavati dokaze za to kako smo mi, i naša tijela i zgrade i planeti i zvijezde, svi napravljeni od materije, mogli postojati od Velikog praska. "Postoje određene stvari koje standardni model ne objašnjava, poput toga zašto u svemiru ima više materije nego antimaterije", rekao je Huber, profesor na Odsjeku za fiziku i suradnik fakulteta Roger Moore i Mojdeh Khatam-Moore na Virginia Techu. "No nikada nismo pronašli „sastojke” koji bi poznate činjenice izvan standardnog modela činile funkcionalnima. Ako treba postojati velik doprinos nove fizike, isti možemo biti sadržan samo u neutrinima."

Kako bi otkrili što neutrini namjeravaju, fizičari će morati ispaliti iz najsnažnijeg snopa ikada napravljenog u udaljenom, masivnom, podzemnom i nevjerojatno preciznom detektoru čestica. Više od tisuću znanstvenika okupilo se kako bi kreirali takvu vrstu eksperimenta u desetljećima dugom projektu pod nazivom Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), čiji je domaćin Fermi National Accelerator Laboratory ili Fermilab Ministarstva energetike SAD-a.

Tijekom proteklog desetljeća i u pripremama za razvoj DUNE-a, Huber je surađivao s eksperimentalnim fizičarom Camillom Marianijem u Centru za fiziku neutrina Virginia Tech-a, gdje su tražili načine za postizanje neviđene preciznosti koju će eksperiment poput DUNE-a trebati za mjerenje ponašanja neutrina i otkrivanje "nove fizike" koja se traži.

Ono što su naučili, Mariani je prenio u svoj rad u međunarodnom timu DUNE tijekom razvoja objekta. Njihova potraga za preciznošću jedan je dio slagalice koju su Raymond Davis Jr. i John Bahcall započeli 1960-ih, pokušavajući prebrojati solarne neutrine.

Kad su se dva fizičara zagledala u sunce
Raymond Davis Jr. vodio je jedan od prvih eksperimenata za mjerenje neutrina koji dolaze iz jednog od prirodno bogatih izvora: Sunca. Dok je Davis izvodio eksperiment u rudniku Homestake u Leadu, Južna Dakota, Bahcall je izračunao predviđenu količinu solarnih neutrina koje će eksperiment prikupiti iz nuklearnih reakcija koje su se odvijale unutar velikog podzemnog spremnika ispunjenog tekućinom za čišćenje. Ali Homestake eksperiment, koji je trajao od 1970. do 1992., prikupio je samo jednu trećinu neutrina od onoga što je Bahcall predvidio.

Većina fizičara u to vrijeme smatrala je ili da je Davis nešto pogriješio s eksperimentom ili da su Bahcallovi izračuni pogrešni. Pitanje „nestalih neutrina” postalo je poznato kao "problem solarnih neutrina" koji će fizičari godinama pokušavati riješiti. Znanstvenici sa Sudbury Neutrino Observatorija konačno su riješili navedeno 2002. godine, eksperimentom u kanadskom rudniku.

Koristeći ogromnu kuglu punu teške vode, izmjerili su neutrine pomoću svjetlosti proizvedene nuklearnim reakcijama. Pronašli su razlog za „nestanak” neutrina: Dok lete svemirom, neutrini mijenjaju vrstu ili "okus".

Postoje tri poznate vrste neutrina: elektron, mion i tau. Eksperiment u Sudburyju bio je osjetljiv na sva tri, za razliku od Davisova, koji je uhvatio samo neutrine elektrone. Upravo taj fenomen mijenjanja vrste, poznat kao "oscilacija neutrina", izravno proturječi standardnom modelu, koji je predviđao da neutrini nemaju masu.

Mariani objašnjava oscilacije neutrina primjerom okusa sladoleda. "Zamislite da odete u slastičarnicu i dobijete svoju omiljenu: bananu", rekao je Mariani. "Potom izađete, a okus vašeg sladoleda sada je jagoda. Napravite još dva koraka, i jagoda postane vanilija. Još tri koraka, i vanilija postane kokos. To je ono što ljudi nazivaju oscilacijom. To može biti funkcija prijeđene udaljenosti u funkciji vremena. Navedeno se događa samo ako masa čestice nije nula."

S riješenim problemom nestalih solarnih neutrina, fizičari su u međuvremenu započeli s ispitivanjem funkcioniranja oscilacije neutrina. Veliko, temeljno znanstveno pitanje danas je događaju li se te promjene vrste neutrina i antineutrina istom učestalošću ili ne, rekao je Huber. Ako različito osciliraju, ta bi razlika, fizički proces poznat kao „CP prijestup”, mogla pomoći u objašnjenju zašto se naš svemir sastoji od nas i naše okoline, a ne od svjetla i samo od svjetla.

Fizičari vjeruju da su prije 14 milijardi godina u svemiru bile potpuno iste količine materije i antimaterije. "Ako je to istina te je uvijek bilo tako, onda bi na kraju sva materija i antimaterija susrele jedna drugu i postale svjetlost", rekao je Huber. "Svemir bi tada sadržavao samo svjetlost i ništa drugo. Očito se nije tako dogodilo."

Budući da postojimo, znamo na koji način je, u prekidu simetrije, materija dominirala nad antimaterijom tijekom Velikog praska. Oscilacije neutrina, demonstrirajući vlastitu asimetriju, mogle bi pokazati kako je to moguće. DUNE pruža način da se ta asimetrija uhvati na djelu - ili ne.

Razlika u brzini oscilacije između neutrina i antineutrina - ili nedostatak iste - neće biti očigledna, rekao je Huber, što je razlog zašto su fizičari poput njega i Marianija toliko usredotočeni na preciznost. Moglo bi se svesti na desetinke ili stotinke broja u DUNE-ovim mjerenjima. Iako je navedeno podvig, DUNE predstavlja minimum potreban da se to postigne, rekao je Huber, jer u slučaju preciznog mjerenja oscilacija neutrina, "potrebna vam je raketa za Saturn kako biste letjeli do Mjeseca."

"Fizika je u posljednja dva desetljeća prešla put od točke u kojoj smo sretni reći: "O, vidjeli smo neutrine, hura," do točke u kojoj pokušavamo provesti vrlo precizna mjerenja", rekao je Huber. "DUNE je oličenje toga. To je doista kraj desetljećima duge evolucije u kojoj je fizika neutrina postajala sve preciznija. DUNE pokušava izvesti jedno od najpreciznijih mjerenja ikada provedenih s neutrinima."

Raketa Saturn za let do Mjeseca

U mjerenju oscilacija neutrina postoje neke nužne stvari: stvaranje dovoljnog broja neutrinskih događaja, od kojih će samo nekolicina biti zahvaćena eksperimentom; postavljanje dovoljne udaljenosti između izvora neutrina i njihove krajnje točke kako bi mogli pokazati svoje oscilacije; uspostavljanje velike eksperimentalne postave visoke razlučivosti koja može uhvatiti energiju nastalu kao posljedica neutrinskih događaja.

DUNE-ov odgovor na ovo počinje snažnom zrakom neutrina smještenom u Fermilabu u Bataviji, Illinois. Ovdje će, pod zemljom, znanstvenik ispaljivati neutrine na preko 1300 kilometara podzemne udaljenosti, detektorom čestica teškim 40.000 tona koji je ispunjen tekućim argonom. Detektor će biti smješten na istom rudarskom području koje koristi Homestake Experiment u Južnoj Dakoti.

Kako neutrini nailaze na argon unutar detektora i ostavljaju za sobom tragove energije, taj će materijal ponuditi neusporedivu preciznost u mjerenju istih, rekao je Mariani. "U suštini, to je kao da uzmete fotoaparat iz 80-ih i usporedite ga s kamerom svog telefona koja ima milijune piksela", rekao je.

Fakultet znanosti ima još jednu vezu s DUNE-om, također blisku. Kevin Pitts, koji je prošlog lipnja započeo svoj mandat kao dekan koledža te je pridruženi član fakulteta Odjela za fiziku, prošle je godine imenovan glavnim znanstvenikom Fermilaba. Ondje je nadgledao znanstveni program laboratorija, koji uključuje projekt DUNE vrijedan više milijardi dolara.

"Eksperiment DUNE bit će posebno tehnološko postignuće koje će dovesti do doista izvanrednih znanstvenih spoznaja", rekao je Pitts. "Ovaj eksperiment sadržavat će 40.000 tona tekućeg argona kilometar i pol ispod zemlje u napuštenom rudniku zlata u Black Hillsu. Trudu doprinose znanstvenici iz cijelog svijeta jer su uzbuđeni transformacijskom znanošću koja će se izvoditi u tom postrojenju."

Godinama su Mariani i Huber radili na tome da ovaj dio projekta DUNE ne propadne. Budući da znanstvenici zapravo ne vide same neutrine dok čestice udaraju u detektor, moraju rekonstruirati interakciju koja se dogodila s energijom zaostalom iza njih.

Ispravno postizanje navedenog ovisi o mikrofizici onoga što se događa unutar interakcije, rekao je Huber. Rekonstrukcija interakcije jednako je složena kao i praćenje učinaka ispaljivanja metka u sat, rekao je, "Ovisno o tome kako ćete pogoditi sat, možda će vam izletjeti zupčanici, možda će vam odletjeti brojevi. Da bi se zaista rekonstruirao sat, ili cijela interakcija iz toga, moram znati koja je vjerojatnost da će metak izbaciti svaki postojeći djelić sustava."

Kada neutrini pucaju na atome argona, jezgre argona mogu izbaciti sve vrste čestica: neutrone, protone i nove čestice poput piona, koje detektori lako promaše i koje sve treba uzeti u obzir za točno mjerenje ukupne energije proizvedene neutrinskim događajem. "U našem radu s dr. Marianijem, mislim da smo bili prva grupa koja je zaista pokušala sagledati detalje i kvantificirati kakve bi sustavne nesigurnosti iz toga mogle proizaći," rekao je Huber. "Mislim da je isti rad imao veliki utjecaj na to kako ljudi razmišljaju o postavljanju cijelog eksperimenta."

Huber i Mariani vide Centar za fiziku neutrina kao jedno od rijetkih mjesta gdje bi se mogao dogoditi takav stupanj suradnje između teoretičara i eksperimentalaca. Od svog osnutka 2010., centar je napravio vlastite teoretske i eksperimentalne programe sa osjećajem da će, kako se fizika neutrina bude razvijala, teoretičari i eksperimentalisti uvijek trebati jedni druge.

Izvor: Phys.org