Dybt Underjordisk Neutrinoeksperiment (DUNE): Afkodning af Universets Mysterier

Fange et glimt af den mest undvigende partikel

Fundamental fysik har altid været afhængig af en blanding af teori og eksperimenter for at fremme vores forståelse af universet. Indtil i dag er et af de sværeste spørgsmål at besvare, hvad der er den grundlæggende natur af gravitationen og de kræfter, der styrer universet. Det har længe været kendt, at svaret sandsynligvis findes i en undvigende og næsten umulig at studere partikel: neutrinoen.
Dette er målet med megaprojektet Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’  Dette er en imponerende indsats, der spænder over flere stater i USA og involverer mere end 800 miles /1.300 km af underjordiske eksperimenter.

Hvad er neutrinoer?

Neutrinoer er en elektrisk neutral partikel med en ekstremt lille masse, som længe har antaget at være nul. I øjeblikket ved vi overhovedet ikke, hvorfor neutrinoer har masse, undtagen at det ser ud til at fungere på en anden måde end for andre partikler.

Det, der gør neutrinoer unikke, er at de i bund og grund er “spøgelsespartikler”, som næsten ikke interagerer med andre former for materie overhovedet. Dette skyldes, at neutrinoer kun interagerer med 2 ud af de 4 grundlæggende kræfter i universet: gravitation og svag interaktion.

Da den svage interaktion har en meget kort rækkevidde, og gravitationen kun i ringe grad påvirker de lavmassed neutrinoer, passerer neutrinoer normalt gennem materie uden at interagere eller blive bremset. Som følge heraf bevæger neutrinoer sig næsten med lysets hastighed.

Neutrinoer er en grundlæggende partikel, der ikke kan opdeles i mindre komponenter, og de findes i 3 varianter: elektronneutrinoer, myonneutrinoer og tau-neutrinoer. For at komplicere tingene yderligere ser det ud til, at neutrinoer regelmæssigt skifter mellem disse 3 varianter.

Det er også muligt, at en 4^th eksisterer også, sterile neutrinoer, endnu sværere at opdage end de andre.

De fleste neutrinoer produceres af nukleare reaktioner, fra nuklear fusion i stjerner til radioaktivt henfald i Jordens kerne.

På trods af deres undvigende natur menes neutrinoer at være den mest udbredte partikel i universet. Omtrent tusind billioner neutrinoer passerer gennem vores krop hvert sekund.

Du kan lære mere om neutrinoer på den dedikerede hjemmeside “all things neutrinos” oprettet af Fermilab.

DUNEs design

Hvordan kan vi opdage og studere en partikel, der bevæger sig med lysets hastighed, når den også ikke interagerer med normal materie? Dette er spørgsmålet, som DUNE søger at besvare.

DUNE vil strække sig mellem Fermilab, Amerikas partikel‑fysik‑ og acceleratorlaboratorium i Illinois, og Sanford Underground Research Facility (SURF eller Sanford Lab) i South Dakota.

De forskellige steder vil hver have deres eget specialiserede opgave at udføre.

Fermilab

En protonaccelerator kaldet Proton Improvement Plan-II (PIP-II) bruges på Fermilab‑stedet til at skabe en strøm af neutrinoer. PIP-II er en opgradering af den tidligere partikelaccelerering på Fermilab. Den bruger superledende radiofrekvensteknologier til at levere kraftfulde protonstråler, som, bevægende sig næsten med lysets hastighed, kan tilpasses til en bred vifte af eksperimenter.

Accelerationsstrukturerne vil blive afkølet til 2°K (-456°F / -271°C, 2 grader over det absolutte nulpunkt) for at give effektiv, høj‑effekt acceleration.

Denne afkøling opnås takket være en gigantisk, lagerstørrelse køleenhed, som stadig er under konstruktion.

En del af køleenheden, den kryogeniske coldbox, blev bygget i Europa af CERN og ankom til Fermilab i december 2024.

Fermilab vil også have en detektor, der vil registrere partikelinteraktioner nær kilden til strålen. En 18‑meter høj (60‑fod høj) bakke blev bygget for at skråne strålebuen i den korrekte vinkel for at sende neutrinoer mod South Dakota. Partikelstrålen peger nedad for at tage højde for Jordens krumning og stoppes ikke af de 800 miles af klippe mellem.

Sanford Underground Research Facility (SURF)

SURF vil huse verdens største neutrino‑detektor af sin type nogensinde bygget. Den vil bruge 70.000 ton flydende argon til at fange neutrinoen, når den interagerer med normal materie.

I alt vil der blive bygget 4 detektormoduler, understøttet af store kryogene støttesystemer.

Dette bygges dybt under jorden, 1 mile / 1,5 km dybt, ved at genbruge en gammel guldmine­skakt for at gå dybt ned og bygge en massiv kunstig underjordisk hule.

I alt blev omkring 800.000 ton sten udgravet for at skabe plads til de fire DUNE‑fjern‑detektormoduler og de nødvendige faciliteter under jorden. Disse sten blev deponeret i et tidligere minedriftområde.

Sammen udgør Fermilab‑protonacceleratoren, detektoren og SURF‑neutrino-detektorerne Long‑Baseline Neutrino Facility (LBNF).
https://www.youtube.com/watch?v=cBGXMYP8cq8

Hvad kan DUNE opnå?

Det er altid svært at forudsige præcis, hvad et partikel‑fysik‑eksperiment vil opnå, hvilket i sidste ende er pointen. Vi kan dog forvente fremskridt inden for tre forskellige emner fra DUNE‑projektet.

Oprindelse af materie

siden den første udbrud af materie og antimaterie ved Big Bang, er materie blevet den dominerende partikel i universet. Det er stadig ikke helt klart hvorfor, da begge menes at være skabt i lige store mængder.

Neutrinoer kan være svaret. Nogle fysikere mener, at neutrinoer er unikke ved, at de også er deres egne antipartikler. Andre mener, at skiftet mellem neutrinoernes smag kan være den vigtige del. Under alle omstændigheder kan neutrinoer have tipppet vægten mod dagens dominans af materie.

Alternativt, hvis det viser sig, at neutrinoer ikke er ansvarlige, betyder det, at fysikere må omtegne deres teorier om universets oprindelse.

Forening af kræfter

Forbindelsen mellem de 4 grundlæggende kræfter (elektromagnetisme, svag kernekraft, stærk kernekraft og gravitation) er stadig dårligt forstået.

DUNE kunne hjælpe med at opdage noget, der er teoretiseret men aldrig observeret eksperimentelt: protonfordampning.

Fysikere i dag baserer sig mest på Standardmodellen for partikel­fysik. Den er en solid ramme, men den forklarer ikke visse fænomener og forener ikke de forskellige kræfter. Hvis protonfordampning blev målt, ville det give os indsigt i, hvilken alternativ model der kunne fungere i stedet for de teoretiske grand unified theories (GUT’er), kvantegravitation, supersymmetri osv.

Sorte huller

Neutrinoer produceres i store mængder under kollapsen af stjerner til sorte huller. DUNEs fremragende evne til at detektere neutrinoer kunne hjælpe os med at se, hvad der sker inde i neutronstjerner, og potentielt være vidne til fødslen af et sort hul.
Dette kan igen hjælpe os med bedre at forstå gravitation, både på kosmisk og kvante‑skala.

DUNEs folk

DUNE involverer mere end 30 lande og 1.000 forskere.

Det ville være umuligt at skitsere hver enkelt forskers bidrag til dette massive kollektive projekt. Vi kan dog fremhæve deltagelsen af nogle af dem:

Pantaleo Raimondi

Han er den nye projektleder for Proton Improvement Plan II, efter en livslang karriere med partikelacceleratorer ved CERN, DAFNE og ESFR.

“Pantaleo sluttede sig til PIP-II på det rette tidspunkt. Efterhånden som projektet afslutter alle sidste designaktiviteter, presser igennem indkøbsfasen og begynder detaljeret integrations‑ og kommissionsplanlægning, vil hans erfaring fra at lede disse indsatser ved ESRF og andre steder være uvurderlig.”
Allan Rowe – PIP-II teknisk integrationschef

Carlo Rubia

En Nobelpristager og tidligere direktør for CERN, han udviklede først den neutrino‑detektionsmetode, der bruges af DUNE.

Under hans mandat, i 1993, “CERN gik med til at tillade alle at bruge web‑protokollen og kode gratis … uden nogen royalty eller anden begrænsning”.

Du kan lytte til ham, mens han taler om DUNE‑projektet og andre neutrino‑forskningsprojekter som ICARUS i denne video.

Alexandre Sousa

En specialist i neutrinoer, han har et særligt fokus på sterile neutrinoer og “beyond-the-standard-model” fysik”.

“Det påvirker måske ikke din daglige liv, men vi prøver at forstå, hvorfor vi er her. Neutrinoer ser ud til at holde nøglen til at besvare disse meget dybe spørgsmål.

“Med disse to detektormoduler og den mest kraftfulde neutronstråle nogensinde kan vi udføre meget videnskab. DUNE, når den går i drift, vil være ekstremt spændende. Det vil blive det bedste neutrino‑eksperiment nogensinde.”

Alexandre Sousa on Phys.org

Stigende omkostninger & tidslinje

Projektets konstruktion startede i 2017, og den første udgravning i Dakota begyndte i 2019. Den første udgravning for den primære hule i Dakota startede i 2021.

I august 2024, prototype‑detektoren registrerede sine første accelerator‑producerede neutrinoer.

Det har dog ikke været en ligetil proces. For eksempel måtte mineskakten overhales, før sten kunne udvindes til at bygge de underjordiske huler, hvilket forsinkede projektet og kostede mindst yderligere $300 M.

Opgraderingen af Fermilab‑partikelacceleratoren medførte en yderligere regning på $1 Mrd. Opgraderingen medførte også en alvorlig hændelse, hvor en arbejder faldt 23 fod på beton, hvilket førte til et halvt års afbrydelse af byggeriet, indtil sikkerhedsprocedurerne kunne gennemgås.

Samlet set var de oprindelige projektestimater på $1,5 Mrd og en færdiggørelse i 2035. Det ser nu ud til, at $3,3 Mrd og en deadline i 2040 er mere sandsynligt. Når alt tages i betragtning, kan projektet koste op til $5 Mrd for de amerikanske skatteydere.

Dette har ført til noget kritik i pressen og fra ikke‑involverede forskere.

 “Ja, der er noget støj derude, men folkene, der skriver de ting, ved ikke, hvad de taler om. De tidlige dage af et projekt er altid præget af overvældende optimisme, som aldrig viser sig at være sand.

James Webb Space Telescope blev lanceret i december 2021 efter år med forsinkelser og omkostningsoverskridelser, og den bryder nu regelmæssigt kosmisk grund. Der er ingen kur som succes.”

Ron Ray, DUNEs stedfortrædende projektleder

Men selv med forsinkelser og ekstra omkostninger ville opgivelsen af DUNE betyde, at USA falder bag resten af verden inden for partikel­fysik.

Konkurencen intensiveres

Dette er især tilfældet, da to andre megaprojekter inden for neutrino‑eksperimentering også intensiveres. Et i Japan og et i Kina.

“Alt der er værd at gøre, involverer konkurrence. Men dette er ikke et simpelt hestevæddeløb; neutrino‑eksperimenter har altid involveret internationalt samarbejde.

Derudover har DUNE yderligere mål, som inkluderer at lede efter mørkt stof, den usete substans, der udgør størstedelen af kosmos, og studere neutrinoer fra de kataklysmiske dødsfald af fjerne stjerner.

Bag kulisserne har DUNE‑forskerne gjort stabile fremskridt mod at perfektionere flydende‑argon‑detektoren, som i 2012 stadig var en ny teknologi, da DUNEs designere satset på den. Jeg ser på hele listen af ting, der kunne have udviklet sig anderledes, og det er som om alle stjernerne falder på plads.”

Sam Zeller – Fysiker ved Fermilab

Hyper‑Kamiokande

Hyper‑Kamiokande, eller Hyper‑K, er efterfølgeren til Super‑Kamiokande, som i 1998 fandt den første stærke evidens for neutrinoers oscillation mellem neutrino‑typer. Super‑Kamiokande var også afgørende for at bevise, at neutrinoer har masse.

I modsætning til DUNE, som ser på at bygge et helt nyt design af neutrino‑eksperiment, er Hyper‑K mere en opgradering af eksisterende teknologi. Dette vil sandsynligvis hjælpe den med at udvikle sig hurtigere, med driftsstart allerede i 2027.

Dette kunne hjælpe den med at lave et første, groft estimat af ubalancen mellem neutrinoer og antineutrinoer.

Hyper‑K og DUNE kan være mere partnere end konkurrenter, da forskellige neutrino‑detektionsmetoder kan hjælpe ved udførelse af den samme måling. Nogle specifikke målinger kan også fungere bedre på den ene end den anden af tekniske årsager. Da både Japan og USA har en lang historie med videnskabeligt samarbejde, vil det sandsynligvis være mere en venlig rivalisering mellem Hyper‑K og DUNE.

Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)

I konteksten af den store magtkonkurrence mellem USA og Kina vil JUNO sandsynligvis blive set som en konkurrent til DUNE.

“JUNO har en first‑mover fordel og har et unikt eksperimentelt design inden for fysik. Som et internationalt samarbejdsprojekt ledet af Kina vil JUNO yderligere styrke Kinas førende position på dette område.”

Global Times

Detektoren er lavet af en 44‑meter dyb cylindrisk pool i den underjordiske hal, begravet dybt i et granitlag på en bakke. Siden december 2024, er den blevet fyldt med ultra‑rent vand med en hastighed på 100 ton i timen.

Denne pool huser detektoren, som er udstyret med 20.000 fotomultiplikator‑tuber på 20 tommer og 25.000 fotomultiplikator‑tuber på tre tommer, samt kabler, magnetiske afskærmningsspoler, lys‑blændere og andre komponenter.

Poolen beskytter detektoren mod interferens fra kosmiske stråler ved neutrino‑detektion, samt naturlig radioaktivitet fra den omgivende sten.

“Den flydende injektion vil foregå i to faser. I de første to måneder vil ultra‑rent vand fylde rummene inde og uden for den akryliske kugle i den centrale detektor. I de følgende seks måneder vil det ultra‑rene vand inde i kuglen blive erstattet med en flydende scintillator.

Den samlede proces med flydende injektion forventes at være afsluttet i august 2025, hvorefter anlægget officielt vil begynde drift og dataindsamling.

Global Times

Fremtidige neutrino‑projekter

DUNE, Hyper‑K og JUNO er de neutrino‑projekter, der allerede er under konstruktion. Andre er stadig i konceptfasen, men kan låse yderligere forståelse af partikel­fysik op.

Et af dem er Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), et europæisk projekt. Det vil forsøge at detektere den ladede lepton, der skabes hver gang en neutrino produceres. Dette kunne udvide vores forståelse af ubalancen mellem materie og antimaterie.

En anden er NuTag, som bruger en ny eksperimentel teknik: neutrino‑tagging. Dette ville anvende en ny type neutrino‑strålelinje. Dette er et design, der allerede blev foreslået i 1979, men først for nylig er silicium‑detektorer blevet i stand til at overleve direkte eksponering for en hadron‑kilde‑stråle.

DUNE‑konklusion

DUNE er den slags videnskabeligt megaprojekt, der ved første øjekast ikke ser ud til at have en direkte anvendelse. I dette er det meget lig de fleste af de tidlige partikel‑fysik‑ og kvantefysik‑videnskaber fra det tidlige 20^th århundrede.

Denne tidlige undersøgelse af den grundlæggende aspekt af vores virkelighed vil dog i sidste ende producere resultater, der er nødvendige for fremskridt som atomkraft (og bomber), elektronmikroskopi, avancerede mikrochips, satellitter osv.

Det er sandsynligt, at en dybere forståelse af neutrinoer vil have lignende langsigtede resultater på teknologisk fremgang, hvor de fleste fremskridt årtier ude i fremtiden er umulige at forudsige.

Bedre forståelse af neutrinoer og hvordan man producerer dem kan også have en række anvendelser:

• Omforme brugt brændsel fra atomreaktorer til materialer med lavere radioaktivitet, eller bruge neutrinoer til at overvåge radioaktivt brændsel.
• Bruge neutrinoer til at overvåge undervandsnucleare ubåde, fokus for DARPA’s hemmelige Experimental Neutrino Detector-program.
• Undersøge Jorden for huler med potentielle olie‑ eller mineralforekomster.
• Neutrino‑kommunikation, potentielt endda interstellare kommunikationer i den fjerne fremtid.

Neutrino‑virksomhed

Neutrino Energy

Selvom neutrino‑videnskab er rig på potentielle fremtidige anvendelser, synes den at være langt fra at blive brugt regelmæssigt til kommercielle formål. Dette kan dog ændre sig ifølge en meget ambitiøs tysk privat startup, Neutrino Energy.

Virksomheden undersøger det helt nye koncept neutrinovoltaics, eller generation af elektricitet fra den konstante flux af neutrinoer omkring os. Hvordan dette fungerer, er ved at bruge et lag af grafen, et 2D‑materiale lavet af kulstof (følg linket for en komplet forklaring af 2D‑materialer som grafen eller goldene).

Denne metode ville omdanne den termiske (Brownian) bevægelse af grafen‑atomer til brugbar elektricitet, i det væsentlige producere energi ud af ingenting. Et lignende fænomen forekommer i grafen, hvor neutrinoer “skubber” atomkernerne, som med argon‑atomer i DUNE‑neutrino‑detektoren.

Virksomheden har annonceret sin kommende første prototype, kaldet Powercube, som skal demonstrere teknologien, udviklet med assistance fra AI.

Virksomheden har også arbejdet med Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) i Indien, med målet “at skabe et selvopladende elektrisk køretøj drevet af neutrinovoltaic‑teknologi”.

Det er svært at vurdere, hvor tæt konceptet er på kommercialisering, da det for nu synes at være netop det – et koncept med lidt information om den potentielle energiproduktion eller økonomi. Men dette er helt sikkert den nærmeste på en “neutrino‑virksomhed”, der i øjeblikket findes på markedet.