Megahankkeet
Syvämaanalainen neutriiniekperimentti (DUNE): Universumin mysteerien selvittäminen
Lisää Securities.io suosikkilähteisiisi Google-palvelussa
Kurkistus harvinaisimman hiukkasen salaisuuteen
Fundamental physics has always relied on a mix of theory and experiments to progress our understanding of the Universe. To this day, one of the most difficult to answer questions is about the fundamental nature of gravity and the forces that direct the Universe. It has long been known that the answer is likely to be found in an elusive and almost impossible-to-study particle: the neutrino.
Tämä on megaprojektin Deep Underground Neutrino Experiment, eli ‘DUNE. Tämä on vaikuttava hanke, joka ulottuu useiden Yhdysvaltain osavaltioiden alueelle ja sisältää yli 800 mailia /1,300 km maanalaisia kokeita.
Mitä neutriinot ovat?
Neutriinot ovat sähköisesti neutraali hiukkanen, jonka massa on äärimmäisen pieni ja jonka on pitkään oletettu olevan nolla. Tällä hetkellä emme tiedä, miksi neutriinot omaavat massan, paitsi että se näyttää toimivan eri tavalla kuin muilla hiukkasilla.
Mitä tekee neutriineista ainutlaatuisia, on se, että ne ovat käytännössä “haamu”-hiukkasia, jotka vuorovaikuttavat lähes lainkaan muun aineen kanssa. Tämä johtuu siitä, että neutriinot vuorovaikuttavat vain kahden neljästä perusvoimasta universumissa: gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen kanssa.
Koska heikko vuorovaikutus on hyvin lyhyen kantaman, ja gravitaatio vaikuttaa vain vähän kevyisiin neutriineihin, neutriinot kulkevat yleensä läpi aineen ilman vuorovaikutusta tai hidastumista. Tämän seurauksena neutriinot liikkuvat lähes valonnopeudella.
Neutriinot ovat perushiukkasia, joita ei voi jakaa pienempiin osiin, ja ne tulevat kolmessa variantissa: elektroni-neutriinot, muoni-neutriinot ja tau-neutriinot. Tilannetta monimutkaistaa se, että neutriinot näyttävät säännöllisesti vaihtavan näiden kolmen variantin välillä.
On myös mahdollista, että 4th on olemassa, steriilit neutriinot, jotka ovat vielä vaikeampia havaita kuin muut.
Suurin osa neutriineista syntyy ydinreaktioista, ydinfuusiosta tähdissä aina maapallon ytimen radioaktiiviseen hajoamiseen.
Vaikka ne ovat vaikeasti havaittavia, neutriinot uskotaan olevan yleisimpiä hiukkasia universumissa. Suunnilleen tuhat triljoonaa neutriinia kulkee kehomme läpi sekunnissa.
Voit oppia lisää neutriineista omistetulla verkkosivustolla “all things neutrinos” jonka on luonut Fermilab.
DUNE:n suunnittelu
Kuinka voimme havaita ja tutkia hiukkasta, joka liikkuu valonnopeudella eikä vuorovaikuta tavallisen aineen kanssa? Tämä on se kysymys, johon DUNE pyrkii vastaamaan.
DUNE ulottuu Fermilabin, Amerikan hiukkasfysiikan ja kiihdyttimien laboratoriossa Illinoisissa, sekä Sanford Underground Research Facility (SURF tai Sanford Lab) -laitokseen Etelä-Dakotassa.
Lähde: DUNE
Eri kohteilla on jokaisella oma erikoistunut tehtävänsä.
Fermilab
Fermilab-alueella käytetään protonikiihdytintä nimeltä Proton Improvement Plan-II (PIP-II) neutriinivirran luomiseen. PIP-II on päivitys aiempaan hiukkaskiihdytykseen Fermilabissa. Se käyttää suprajohtavia radiofrekvenssiteknologioita tuottamaan voimakkaita protonisäteitä, jotka liikkuvat lähes valonnopeudella ja voidaan räätälöidä monenlaisiin kokeisiin.
Kiihtyvyysrakenteet jäähdytetään 2 °K (-456 °F / -271 °C, 2 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolelle) tehokkaan, suuritehoisen kiihdytyksen mahdollistamiseksi.
Tämä jäähdytys saavutetaan valtavan, varastokokoisen jäähdytysyksikön avulla, joka on edelleen rakenteilla.
Lähde: Fermilab
Osa jäähdytysyksiköstä, kriogeeninen coldbox, rakennettiin Euroopassa CERNin toimesta ja saapui Fermilabiin joulukuussa 2024.
Lähde: Fermilab
Fermilabilla on myös detektori, joka tallentaa hiukkasvuorovaikutukset säteen lähteen lähellä. 18 metriä korkea (60 jalkaa) mäki rakennettiin sädeputken kulman säätämiseksi niin, että neutriinit lähetetään Etelä-Dakotaan. Hiukkassäde on suunnattu alaspäin ottaen huomioon Maan kaarevuus, eikä 800 mailin kivenkerros pysäytä sitä.
Lähde: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
SURF:ssa on maailman suurin koskaan rakennettu neutriinidetektori, joka käyttää 70 000 tonnia nestemäistä argonia neutriinien havaitsemiseen normaalin aineen kanssa.
Yhteensä rakennetaan 4 detektorimoduulia, joita tukevat suuret kriogeeniset tukijärjestelmät.
Lähde: Fermilab
Tämä rakennetaan syvälle maanalaiseksi, 1 maili / 1,5 km syvyyteen, uudelleenkäyttämällä vanhaa kultakaivoskaivosta massiivisen keinotekoisen maanalaisen luolan rakentamiseksi.
Yhteensä noin 800 000 tonnia kiveä louhittiin tilan luomiseksi neljälle DUNE:n kaukainen detektorimoduulille ja tarvittaville alikäsitteille maanalaisessa tilassa. Nämä kivet siirrettiin entiseen kaivosalueeseen.
Lähde: Fermilab
Yhdessä Fermilabin protonikiihdyttimen, detektorin ja SURF:n neutriinidetektorit muodostavat Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) -laitoksen.
Mitä DUNE voi saavuttaa?
On aina vaikeaa ennustaa tarkalleen, mitä hiukkasfysiikan kokeilu saavuttaa, mikä onkin sen tarkoitus. Kuitenkin voimme odottaa edistystä kolmella eri aihealueella DUNE-projektista.
Aineen alkuperä
Koska alkuräjähdyksessä syntyi aluksi yhtä paljon ainetta ja antimateriaa, aine on myöhemmin hallinnut universumia. On edelleen epäselvää, miksi näin tapahtui, koska molempia on oletettu syntyneen yhtä paljon.
Neutriinot saattavat olla vastaus. Jotkut fyysikot ajattelevat, että neutriinot ovat ainutlaatuisia siinä, että ne ovat myös omia antihiukkasiaan. Toiset uskovat, että neutriinien makujen välinen vaihtelu on tärkeä tekijä. Joka tapauksessa neutriinot ovat saattaneet kallistaa tasapainoa kohti nykyistä aineen hallintaa.
Jos taas todetaan, että neutriinot eivät ole vastuussa, fyysikkojen täytyy piirtää uudelleen teoriansa universumin alkuperästä.
Voimien yhtenäistäminen
Yhteys neljän perusvoiman (sähkömagnetismi, heikko ydinvoima, vahva ydinvoima ja gravitaatio) välillä on edelleen heikosti ymmärretty.
DUNE voisi auttaa havaitsemaan teoreettisesti ennustetun, mutta kokeellisesti koskaan havaitsemattoman ilmiön: protonin hajoamisen.
Physicists today mostly rely on the Standard Model of particle physics. It is a solid framework, but it fails to explain some phenomena and unify the different forces. If measured, proton decay would give us insight into what alternative model would work instead of the theoretical grand unified theories (GUTs), quantum gravity, supersymetry, etc.
Nykyiset fyysikot luottavat enimmäkseen Standardimalliin hiukkasfysiikassa. Se on vankka kehys, mutta se ei selitä joitakin ilmiöitä eikä yhdistä eri voimia. Jos protonin hajoaminen mitattaisiin, se antaisi meille näkemyksen siitä, mikä vaihtoehtoinen malli toimisi teoreettisten suurten yhtenäistämisteorioiden (GUT), kvanttigravitaation, supersymmetrian jne. sijaan.
Musta aukko
Neutriinot syntyvät suurina määrinä tähden romahduksen aikana mustaksi aukoksi. DUNE:n erinomainen neutriinien havaitsemiskyky voisi auttaa meitä tarkkailemaan, mitä tapahtuu neutronitähtien sisällä, ja mahdollisesti todistamaan mustan aukon syntymän.
Tämä puolestaan voisi auttaa meitä ymmärtämään gravitaatiota paremmin sekä kosmisella että kvanttitasolla.
DUNE:n ihmiset
DUNE sisältää yli 30 maata ja 1 000 tiedemiestä.
Lähde: DUNE
Olisi mahdotonta eritellä jokaisen tiedekunnan panosta tähän massiiviseen yhteishankkeeseen. Voimme kuitenkin nostaa esiin muutaman heidän osallistumisestaan:
Pantaleo Raimondi
Hän on Proton Improvement Plan II:n uusi projektijohtaja, jonka jälkeen hän on työskennellyt koko uransa hiukkaskiihdyttimien parissa CERN, DAFNE ja ESFR.
“Pantaleo liittyi PIP-II:hin oikeaan aikaan. Kun projekti viimeistelee kaikki lopulliset suunnittelutoimet, viedään hankintavaihe eteenpäin ja aloitetaan yksityiskohtainen integrointi- ja käyttöönotto-suunnittelu, hänen kokemuksensa näiden ponnistelujen johtamisesta ESRF:ssä ja muualla on korvaamatonta.”
Carlo Rubia
Nobel-palkittu ja entinen CERNin johtaja, hän kehitti ensimmäisenä DUNE:n käyttämän neutriinien havaitsemismenetelmän.
Hänen toimikautensa aikana, vuonna 1993, “CERN suostui antamaan kenelle tahansa käyttää verkkoprotokollaa ja koodia ilmaiseksi … ilman rojaltimaksuja tai muita rajoituksia”.
Voit kuunnella hänen puhuvan DUNE-projektista ja muista neutriinitutkimusprojekteista, kuten ICARUS, tässä videossa.
Alexandre Sousa
Neutriinien asiantuntija, jonka erikoistumisalueena ovat steriilit neutriinot ja “standardimallin ulkopuolinen fysiikka”.
“Se ei ehkä vaikuta päivittäiseen elämääsi, mutta yritämme ymmärtää, miksi olemme täällä. Neutriinot vaikuttavat pitävän avainta näiden syvien kysymysten vastaamiseen.
“Näiden kahden detektorimoduulin ja voimakkaimman koskaan rakennettavan neutriinisäteen avulla voimme tehdä paljon tiedettä. DUNE:n käynnistyminen tulee olemaan erittäin jännittävää. Se on paras neutriiniekperimentti koskaan.”
Kustannusten nousu ja aikataulu
Hankkeen rakennustyöt alkoivat vuonna 2017, ja ensimmäinen louhinta Dakotassa alkoi vuonna 2019. Pääluolaston ensimmäinen louhinta Dakotassa alkoi vuonna 2021.
Elokuussa 2024 prototyypin detektori tallensi ensimmäiset kiihdyttimellä tuotetut neutriinit.
Lähde: DUNE
Se ei kuitenkaan ole ollut suoraviivainen prosessi. Esimerkiksi kaivoskaivo täytyi kunnostaa ennen kuin kiveä voitiin louhia maanalaisiin luoliin, mikä viivästi projektia ja aiheutti vähintään 300 miljoonan dollarin lisäkustannukset.
Fermilabin hiukkaskiihdyttimen päivitys toi mukanaan toisen miljardin dollarin laskun. Päivitys aiheutti myös vakavan tapaturman, kun työntekijä putosi 23 jalkaa betonille, mikä johti puolen vuoden rakennuskatkokseen, kunnes turvallisuusmenettelyt tarkistettiin.
Alkuperäisten arvioiden mukaan hinta oli 1,5 miljardia dollaria ja valmistuminen vuoteen 2035 mennessä. Nyt vaikuttaa todennäköisemmältä, että kustannukset nousevat 3,3 miljardiin dollariin ja valmistumisaikataulu on vuosi 2040. Kaikkien tekijöiden huomioon ottaen projekti saattaa maksaa jopa 5 miljardia dollaria amerikkalaisille veronmaksajille.
Tämä on johtanut joihinkin kritiikkeihin lehdistössä ja ei-osallistuvien tiedemiesten taholta.
“Joo, siellä on jonkin verran melua, mutta ne, jotka kirjoittavat näitä asioita, eivät tiedä mistä puhuvat. Projektin alkuaikoja leimaa aina valtava optimismi, joka ei koskaan osoitu todeksi.
James Webb -avaruusteleskooppi lanseerattiin joulukuussa 2021 vuosien viivästysten ja kustannusylitysten jälkeen, ja se nyt säännöllisesti rikkoo kosmista maata. Menestystä ei voi korvata muulla.
Ron Ray, DUNE:n varaprojektijohtaja
Kuitenkin, vaikka viivästyksiä ja lisäkustannuksia on, DUNE:n hylkääminen merkitsisi Yhdysvaltojen jäämistä jälkeenpäin hiukkasfysiikassa.
Kilpailun kiihtyminen
Tämä pätee erityisesti, koska kaksi muuta megaprojektia neutriinikokeissa ovat myös käynnistymässä. Yksi Japanissa ja yksi Kiinassa.
“Mikä tahansa arvokas tehtävä vaatii kilpailua. Mutta tämä ei ole yksinkertainen hevosten kilpa‑ajo; neutriiniekperimentit ovat aina sisältäneet kansainvälistä yhteistyötä.
Lisäksi DUNE:lla on lisätavoitteita, kuten pimeän aineen etsiminen, näkymätön aine, joka muodostaa suurimman osan kosmoksesta, sekä neutriinien tutkiminen kaukaisten tähtien katastrofaalisten kuolemien yhteydessä.
Kulissien takana DUNE:n tiedemiehet ovat edistyneet tasaisesti nesteargo-detektorin hiomiseen, joka oli vielä nuori teknologia vuonna 2012, kun DUNE:n suunnittelijat panostivat siihen. Katson koko listaa asioista, jotka olisivat voineet mennä toisin, ja se on kuin kaikki tähdet asettuvat linjaan.”
Sam Zeller – fyysikko Fermilabissa
Hyper-Kamiokande
Hyper-Kamiokande, tai Hyper-K, on Super-Kamiokanden seuraaja, joka löysi vuonna 1998 ensimmäisen vahvan todisteen neutriinien makujen (oskillaatio) vaihtelusta. Super-Kamiokande oli myös keskeinen neutriinien massan todistamisessa.
Toisin kuin DUNE, joka pyrkii rakentamaan täysin uuden neutriiniekperimentin suunnittelun, Hyper-K on enemmänkin olemassa olevan teknologian päivitys. Tämä todennäköisesti nopeuttaa sen kehitystä, ja toiminnan aloitus voi tapahtua jo vuonna 2027.
Tämä voisi auttaa sitä tekemään ensimmäisen karkean arvion neutriinien ja antineutriinien epätasapainosta.
Hyper-K ja DUNE saattavat olla enemmän kumppaneita kuin kilpailijoita, koska erilaiset neutriinien havaitsemismenetelmät voivat auttaa samojen mittausten suorittamisessa. Jotkut erityiset mittaukset saattavat myös toimia paremmin toisessa kuin toisessa teknisistä syistä. Koska sekä Japani että USA:lla on pitkä tiedeyhteistyön historia, on todennäköistä, että kyseessä on enemmänkin ystävällinen kilpailu Hyper-K:n ja DUNE:n välillä.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
Yhdysvaltojen ja Kiinan välisten suurvaltaisten kilpailujen kontekstissa JUNO nähdään todennäköisesti DUNE:n kilpailijana.
JUNO:lla on etulyöntiasema ja se tarjoaa ainutlaatuisen kokeellisen suunnittelun fysiikan näkökulmasta. Kansainvälisenä Kiinan johtamana yhteistyöprojektina JUNO vahvistaa edelleen Kiinan johtavaa asemaa tällä alalla.”
Detektori on rakennettu 44 metriä syvästä sylinterimäisestä altaasta maanalaisessa salissa, joka on syvällä kivenkerroksessa. Joulukuusta 2024 lähtien se on täytetty ultra-puhtaalla vedellä nopeudella 100 tonnia tunnissa.
Lähde: Global Times
Tämä allas sisältää detektorin, joka on varustettu 20 000 kahdenkymmenen tuuman ja 25 000 kolmen tuuman fotomultiplikointiputkilla, sekä kaapeleilla, magneettisuojauskelareilla, valonvarjostimilla ja muilla komponenteilla.
Allas suojaa detektoria kosmisista säteistä aiheutuvilta häiriöiltä neutriinien havaitsemisessa sekä ympäröivän kiven luonnolliselta radioaktiivisuudelta.
Nestesijoitus tapahtuu kahdessa vaiheessa. Ensimmäisten kahden kuukauden aikana ultra-puhtaat vesi täyttää keskidetektorin akryylikuplan sisä- ja ulkopuoliset tilat. Seuraavien kuuden kuukauden aikana ultra-puhtaat vesi kuplan sisällä korvataan nestemäisellä scintillaattorilla.
Koko nestesijoitusprosessi odotetaan valmistuvan elokuussa 2025, jonka jälkeen laitos aloittaa virallisesti toiminnan ja tiedonkeruun.
Tulevaisuuden neutriiniprojektit
DUNE, Hyper-K ja JUNO ovat neutriiniprojekteja, jotka ovat jo rakenteilla. Muita on vielä konseptivaiheessa, mutta ne voivat avata lisää ymmärrystä hiukkasfysiikasta.
Yksi niistä on Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), eurooppalainen hanke. Se pyrkii havaitsemaan varatun leptonin, joka syntyy jokaisessa neutriinin tuotannossa. Tämä voisi syventää ymmärrystämme aineen ja antimaterian epätasapainosta.
Toinen on NuTag, joka käyttää uutta kokeellista tekniikkaa: neutriinien merkintää. Tämä käyttäisi uutta neutriinisädelinjaa. Tämä suunnitelma ehdotettiin jo vuonna 1979, mutta vasta äskettäin piidisensorit ovat kyenneet kestämään suoraa altistumista hadronilähdesäteen.
DUNE‑yhteenveto
DUNE on sellainen tieteellinen megaprojekti, jonka ensivaikutelma ei anna suoraa sovellusta. Tässä se on hyvin samankaltainen kuin suurin osa varhaisesta hiukkasfysiikasta ja kvanttifysiikasta 1900‑luvun alussa.
Tämä varhainen tutkimus todellisuutemme perusasioista tuottaa kuitenkin lopulta tuloksia, jotka ovat välttämättömiä edistysaskeleille, kuten ydinenergia (ja pommit), elektronimikroskopia, kehittyneet mikropiirit, satelliitit jne.
On todennäköistä, että syvempi neutriinien ymmärrys tuottaa samankaltaisia pitkän aikavälin vaikutuksia teknologiseen kehitykseen, ja suurin osa edistysaskeleista on vuosikymmeniä myöhemmin arvaamattomia.
Parempi neutriinien ja niiden tuotannon ymmärrys voisi myös avata monia sovelluksia:
- Muuntaa ydinvoimaloiden käytetyn polttoaineen vähemmän radioaktiivisiksi materiaaleiksi tai käyttää neutriineja radioaktiivisen polttoaineen valvomiseen.
- Käyttää neutriineja vedenalaisen ydinsukellusveneen valvomiseen, DARPA:n salaperäisen Experimental Neutrino Detector -ohjelman kohteena.
- Tutkia maata mahdollisten öljy- tai mineraalivarantojen sisältävien onteloiden varalta.
- Neutriiniviestintä, mahdollisesti jopa tähtienvälistä viestintää kaukaisessa tulevaisuudessa.
Neutriiniyritys
Neutrino Energy
Vaikka neutriinitiede on täynnä potentiaalisia tulevaisuuden sovelluksia, se vaikuttaa vielä kaukaa säännölliseltä kaupalliselta käytöltä. Tämä saattaa kuitenkin muuttua erittäin kunnianhimoisen saksalaisen yksityisen startupin, Neutrino Energy:n, toimesta.
Yritys tutkii aivan uutta konseptia neutrinovoltaikasta, eli sähkön tuotannosta neutriinien jatkuvasta virrasta ympärillämme. Tämä toimii käyttämällä grafiinin kerrosta, hiilen 2‑dimensioista materiaalia (seuraa linkkiä saadaksesi täydellisen selityksen 2‑dimensioisista materiaaleista kuten grafiini tai goldene).
Tämä menetelmä muuntaisi grafiiniatomien termisen (Brownin) liikkeen käytettävään sähköön, periaatteessa tuottaen energiaa tyhjästä. Samankaltainen ilmiö tapahtuu grafiinissa, jossa neutriinot “työntävät” atomiytimiä, kuten argoniatomeissa DUNE:n neutriinidetektorissa.
Yritys on ilmoittanut tulevasta ensimmäisestä prototyypistään, nimeltään Powercube, jonka on tarkoitus demonstroida teknologiaa, joka on kehitetty tekoälyn avustuksella.
Yritys on myös tehnyt yhteistyötä Intiassa sijaitsevan Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) -keskuksen kanssa, tavoitteena “luoda itsevarautuva sähköajoneuvo, jota voimaa neutrinovoltaalinen teknologia”.
On vaikea sanoa, kuinka lähellä kaupallistamista tämä konsepti on, sillä toistaiseksi se vaikuttaa vain konseptilta, josta on vähän tietoa mahdollisesta teho- tai taloudellisesta tuottavuudesta. Mutta tämä on ehdottomasti lähin “neutriiniyritys” tällä hetkellä markkinoilla.
