Megaprojecten
Diep Ondergronds Neutrino‑experiment (DUNE): Het Ontcijferen van de Mysteries van het Universum
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Een Glimp Vangen Van Het Meest Ontvlambare Deeltje
Fundamentele natuurkunde heeft altijd vertrouwd op een mix van theorie en experimenten om ons begrip van het universum te vergroten. Tot op de dag van vandaag is een van de moeilijkst te beantwoorden vragen de fundamentele aard van zwaartekracht en de krachten die het universum sturen. Al lang is bekend dat het antwoord waarschijnlijk te vinden is in een ontvlambaar en bijna ononderzoekbaar deeltje: het neutrino.
Dit is het doel van het megaproject Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’ Dit is een indrukwekkende onderneming die zich uitstrekt over meerdere staten in de VS en meer dan 800 mijl /1.300 km ondergrondse experimenten omvat.
Wat zijn Neutrino’s?
Neutrino’s zijn een elektrisch neutraal deeltje met een extreem kleine massa die lange tijd als nul werd beschouwd. Momenteel weten we helemaal niet waarom neutrino’s massa hebben, behalve dat het lijkt te werken op een andere manier dan bij andere deeltjes.
Wat neutrino’s uniek maakt, is dat ze in wezen “spook”-deeltjes zijn, die nauwelijks interageren met andere vormen van materie. Dit komt doordat neutrino’s alleen interageren met 2 van de 4 fundamentele krachten in het universum: zwaartekracht en zwakke interactie.
Aangezien de zwakke interactie een zeer kort bereik heeft, en zwaartekracht nauwelijks effect heeft op de lichtgewicht neutrino’s, gaan neutrino’s meestal door materie heen zonder te interageren of te vertragen. Als gevolg hiervan reizen neutrino’s meestal bijna met de snelheid van het licht.
Neutrino’s zijn een fundamenteel deeltje dat niet in kleinere componenten kan worden opgesplitst en komen in 3 varianten: elektronneutrino’s, muonneutrino’s en tau-neutrino’s. Om de zaken nog ingewikkelder te maken, lijken neutrino’s regelmatig te schakelen tussen deze 3 varianten.
Het is ook mogelijk dat een 4de bestaat, sterile neutrino’s, nog moeilijker te detecteren dan de anderen.
De meeste neutrino’s worden geproduceerd door kernreacties, van kernfusies in sterren tot radioactief verval in het centrum van de aarde.
Ondanks hun ontvlambaarheid wordt gedacht dat neutrino’s het meest voorkomende deeltje in het universum zijn. Ongeveer duizend biljoen neutrino’s gaan elke seconde door ons lichaam heen.
Je kunt meer leren over neutrino’s op de speciale website “all things neutrinos” gemaakt door Fermilab.
DUNE’s Ontwerp
Hoe detecteren en bestuderen we een deeltje dat met de snelheid van het licht reist en bovendien niet interageert met normale materie? Dit is de vraag die DUNE probeert te beantwoorden.
DUNE zal zich uitstrekken tussen Fermilab, het Amerikaanse deeltjesfysica- en versnellingslaboratorium in Illinois, en het Sanford Underground Research Facility (SURF of Sanford Lab) in South Dakota.
Bron: DUNE
De verschillende locaties zullen elk hun eigen gespecialiseerde taak hebben om uit te voeren.
Fermilab
Een protonversneller genaamd de Proton Improvement Plan-II (PIP-II) wordt op de Fermilab-locatie gebruikt om een stroom neutrino’s te creëren. PIP-II is een upgrade van de vorige deeltjesversnelling bij Fermilab. Het maakt gebruik van supergeleidende radiofrequentietechnologieën om krachtige protonenbundels te leveren die, bijna met de snelheid van het licht, kunnen worden aangepast voor een diverse reeks experimenten.
Versnellingsstructuren worden gekoeld tot 2°K (-456°F / -271°C, 2 graden boven het absolute nulpunt) om efficiënte, krachtige versnelling te bieden.
Deze koeling wordt bereikt dankzij een gigantische, magazijn-grote koelunit, die nog in aanbouw is.
Bron: Fermilab
Een deel van de koelunit, de cryogene coldbox, werd in Europa gebouwd door CERN en arriveerde in december 2024 bij Fermilab.
Bron: Fermilab
Fermilab zal ook een detector hebben die deeltjesinteracties nabij de bron van de bundel registreert. Een 18 meter hoge (60 voet) heuvel werd gebouwd om de baan van de bundel onder de juiste hoek te laten lopen om neutrino’s naar South Dakota te sturen. De deeltjesbundel is naar beneden gericht om rekening te houden met de kromming van de aarde en wordt niet gestopt door de 800 mijl aan rotsen ertussen.
Bron: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
SURF zal ‘s werelds grootste neutrino-detector van dit type ooit gebouwd huisvesten. Het zal 70.000 ton vloeibaar argon gebruiken om de neutrino te vangen die met normale materie interageert.
In totaal zullen 4 detectormodules worden gebouwd, ondersteund door grote cryogene ondersteuningssystemen.
Bron: Fermilab
Dit wordt diep onder de grond gebouwd, 1 mijl / 1,5 km diep, waarbij een oude goudmijnschacht wordt hergebruikt om diep onder de grond een enorme kunstmatige ondergrondse grot te bouwen.
In totaal werden ongeveer 800.000 ton rots uitgegraven om ruimte te creëren voor de vier DUNE far-detectormodules en de benodigde voorzieningen ondergronds. Deze rotsen werden gedumpt in een voormalig mijngebied.
Bron: Fermilab
Samen vormen de Fermilab-protonversneller, detector en de SURF-neutrino-detectors de Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).
Wat Kan DUNE Bereiken?
Het is altijd moeilijk om precies te voorspellen wat een deeltjesfysica-experiment zal bereiken, wat tenslotte het hele punt is. We kunnen echter vooruitgang verwachten op drie verschillende onderwerpen van het DUNE-project.
Oorsprong Van Materie
Sinds de eerste explosie van materie en antimaterie bij de Oerknal, is materie het dominante deeltje in het universum geworden. Het is nog steeds niet echt duidelijk waarom, aangezien beide naar men zegt in gelijke hoeveelheden zijn gecreëerd.
Neutrino’s zouden het antwoord kunnen zijn. Sommige fysici denken dat neutrino’s uniek zijn omdat ze ook hun eigen antideeltjes zijn. Anderen denken dat het schakelen van neutrino’s tussen smaken het belangrijke deel is. In elk geval zouden neutrino’s de schaal naar de huidige dominantie van materie hebben doen kantelen.
Anders, als bewezen wordt dat neutrino’s niet verantwoordelijk zijn, zou dit betekenen dat fysici hun theorieën over de oorsprong van het universum moeten hertekenen.
Unificatie Van Krachten
De verbinding tussen de 4 fundamentele krachten (elektromagnetisme, zwakke kernkracht, sterke kernkracht en zwaartekracht) is nog steeds slecht begrepen.
DUNE zou kunnen helpen iets te detecteren dat theoretisch is voorspeld maar nog nooit experimenteel is waargenomen: protonverval.
Fysici vertrouwen tegenwoordig voornamelijk op het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Het is een solide kader, maar het faalt in het verklaren van sommige fenomenen en het unificeren van de verschillende krachten. Als protonverval wordt gemeten, zou dit ons inzicht geven in welk alternatief model zou werken in plaats van de theoretische Grand Unified Theories (GUT’s), kwantumzwaartekracht, supersymmetrie, enz.
Zwarte Gaten
Neutrino’s worden in grote hoeveelheden geproduceerd tijdens de ineenstorting van sterren tot zwarte gaten. DUNE’s uitstekende vermogen om neutrino’s te detecteren zou ons kunnen helpen te kijken wat er gebeurt binnen neutronensterren, en mogelijk de geboorte van een zwart gat te aanschouwen.
Dit zou ons op zijn beurt kunnen helpen de zwaartekracht beter te begrijpen, zowel op kosmische als kwantumschaal.
DUNE’s mensen
DUNE omvat meer dan 30 landen en 1.000 wetenschappers.
Bron: DUNE
Het zou onmogelijk zijn om de bijdrage van elke wetenschapper aan dit enorme collectieve project in kaart te brengen. We kunnen echter de deelname van een paar van hen belichten:
Pantaleo Raimondi
Hij is de nieuwe projectdirecteur voor het Proton Improvement Plan II, na een leven lang te hebben gewerkt aan deeltjesversnellers bij de CERN, DAFNE, en ESFR.
“Pantaleo trad PIP-II op het juiste moment toe. Terwijl het project alle laatste ontwerpprocessen afrondt, door de inkoopfase duwt, en begint met gedetailleerde integratie- en inbedrijfstellingsplanning, zal zijn ervaring met het leiden van deze inspanningen bij ESRF en elders van onschatbare waarde zijn.”
Carlo Rubia
Een Nobelprijswinnaar en voormalig directeur van CERN, hij ontwikkelde als eerste de neutrino‑detectiemethode die door DUNE wordt gebruikt.
Tijdens zijn mandaat, in 1993, “CERN stemde ermee in iedereen het webprotocol en de code gratis te laten gebruiken … zonder enige royalty of andere beperking”.
Je kunt hem horen praten over het DUNE‑project en andere neutrino‑onderzoeksprojecten zoals ICARUS in deze video.
Alexandre Sousa
Een specialist in neutrino’s, hij heeft een speciale focus op sterile neutrino’s en “buiten-het-standaardmodel-fysica”.
“Het maakt misschien geen verschil in je dagelijks leven, maar we proberen te begrijpen waarom we hier zijn. Neutrino’s lijken de sleutel te bevatten om deze zeer diepe vragen te beantwoorden.
“Met deze twee detectormodules en de krachtigste neutrino‑bundel ooit kunnen we veel wetenschap doen. DUNE die online gaat, zal enorm spannend zijn. Het zal het beste neutrino‑experiment ooit zijn.”
Stijgende Kosten & Tijdlijn
De bouw van het project begon in 2017, en de eerste uitgraving in Dakota begon in 2019. De eerste uitgraving voor de hoofdgrot in Dakota begon in 2021.
In augustus 2024, registreerde de prototype‑detector zijn eerste door een versneller geproduceerde neutrino’s.
Bron: DUNE
Het is echter geen eenvoudig proces geweest. Bijvoorbeeld, de mijnschacht moest worden gerenoveerd voordat rots kon worden geëxtraheerd om de ondergrondse grotten te bouwen, wat het project vertraagde en minstens $300M extra kostte.
De upgrade van de Fermilab‑deeltjesversneller kwam met een extra rekening van $1B. De upgrade ging ook gepaard met een ernstig incident, waarbij een werknemer 23 voet op beton viel, wat leidde tot een halfjaar onderbreking van de bouw totdat veiligheidsprocedures konden worden herzien.
In het algemeen waren de oorspronkelijke projectramingen $1,5B en voltooiing in 2035. Het lijkt nu waarschijnlijker dat het $3,3B en een deadline van 2040 zal zijn. Als alles in aanmerking wordt genomen, kan het project tot $5B kosten voor de Amerikaanse belastingbetalers.
Dit heeft tot enige kritiek in de pers en door niet‑betrokken wetenschappers geleid.
“Ja, er is wat ruis, maar de mensen die die dingen schrijven weten niet waar ze het over hebben. De beginfase van een project wordt altijd gekenmerkt door overweldigend optimisme dat nooit waar blijkt te zijn.
De James Webb Space Telescope werd gelanceerd in december 2021 na jaren van vertragingen en kostenoverschrijdingen, en breekt nu regelmatig kosmisch terrein. Er is geen remedie zoals succes.”
Ron Ray, adjunct‑projectdirecteur van DUNE
Echter, zelfs met vertragingen en extra kosten, zou het opgeven van DUNE betekenen dat de VS achter de rest van de wereld blijven in de deeltjesfysica.
Concurrentie Versnelt
Dit is vooral het geval omdat twee andere megaprojecten in neutrino‑experimentatie ook versnellen. Eén in Japan en één in China.
“Alles wat de moeite waard is, omvat concurrentie. Maar dit is geen eenvoudige paardenrace; neutrino‑experimenten hebben altijd internationale samenwerking gekend.
Daarnaast heeft DUNE extra doelen, waaronder het zoeken naar donkere materie, de onzichtbare substantie die het grootste deel van het universum uitmaakt, en het bestuderen van neutrino’s van de catastrofale sterven van verre sterren.
Achter de schermen hebben DUNE‑wetenschappers gestage vooruitgang geboekt in het perfectioneren van de vloeibare‑argon‑detector, die in 2012 nog een beginnende technologie was toen de ontwerpers van DUNE erop gokten. Ik kijk naar de hele lijst van dingen die anders hadden kunnen uitpakken en het is alsof alle sterren op één lijn staan.”
Sam Zeller – Physicist at Fermilab
Hyper‑Kamiokande
Hyper‑Kamiokande, of Hyper‑K, is de opvolger van Super‑Kamiokande, die in 1998 het eerste sterke bewijs vond van de oscillatie van neutrino’s tussen neutrino‑types. Super‑Kamiokande was ook instrumenteel in het bewijzen dat neutrino’s massa hebben.
In tegenstelling tot DUNE, dat een geheel nieuw ontwerp van een neutrino‑experiment wil bouwen, is Hyper‑K meer een upgrade van bestaande technologie. Dit zal waarschijnlijk helpen sneller vooruitgang te boeken, met de start van de operatie al in 2027.
Dit zou het kunnen helpen een eerste ruwe schatting te maken van de onevenwichtigheid tussen neutrino’s en antineutrino’s.
Hyper‑K en Dune zouden meer partners dan concurrenten kunnen zijn, aangezien verschillende neutrino‑detectiemethoden kunnen helpen bij het uitvoeren van dezelfde meting. Sommige specifieke metingen kunnen ook beter op de een dan op de andere werken om technische redenen. Omdat zowel Japan als de VS een lange geschiedenis van wetenschappelijke samenwerking hebben, zal het waarschijnlijk meer een vriendschappelijke rivaliteit tussen Hyper‑K en DUNE zijn.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
In de context van de grootmachtcompetitie tussen de VS en China, zal JUNO waarschijnlijk worden gezien als een concurrent van DUNE.
JUNO heeft een first‑mover‑voordeel en beschikt over een uniek experimenteel ontwerp op het gebied van fysica. Als een internationaal samenwerkingsproject onder leiding van China, zal JUNO de leidende positie van China op dit gebied verder versterken.
De detector is gemaakt van een 44 meter diep cilindrisch bassin in de ondergrondse hal, begraven diep in een granietlaag van een heuvel. Sinds december 2024, is het gevuld met ultra‑puur water met een snelheid van 100 ton per uur.
Bron: Global Times
Dit bassin huisvest de detector, die is uitgerust met 20.000 fotomultiplicatoren van 20 inch en 25.000 fotomultiplicatoren van drie inch, evenals kabels, magnetische afschermingsspoelen, lichtschermen en andere componenten.
Het bassin beschermt de detector tegen interferentie van kosmische straling bij neutrino‑detectie, evenals natuurlijke radioactiviteit van het omringende gesteente.
De vloeistofinjectie zal in twee fasen plaatsvinden. Tijdens de eerste twee maanden zal ultra‑puur water de ruimtes binnen en buiten de acrylbol van de centrale detector vullen. In de volgende zes maanden zal het ultra‑pure water binnen de bol worden vervangen door een vloeibare scintillator.
Het volledige vloeistofinjectieproces wordt verwacht voltooid te zijn tegen augustus 2025, waarna de faciliteit officieel in gebruik zal gaan en data zal verzamelen.
Future Neutrino Projects
DUNE, Hyper‑K en JUNO zijn de neutrino‑projecten die al in aanbouw zijn. Andere bevinden zich nog in de conceptfase maar kunnen een verder begrip van de deeltjesfysica ontsluiten.
Een daarvan is Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), een Europees project. Het zal proberen het geladen lepton te detecteren dat elke keer wordt gecreëerd wanneer een neutrino wordt geproduceerd. Dit zou ons begrip van de onevenwichtigheid tussen materie en antimaterie kunnen verdiepen.
Een andere is NuTag, dat een nieuwe experimentele techniek gebruikt: neutrino‑tagging. Dit zou een nieuw type neutrino‑baanlijn gebruiken. Dit ontwerp werd al in 1979 voorgesteld, maar pas recent zijn siliciumdetectoren in staat om directe blootstelling aan een hadronbron‑bundel te overleven.
DUNE Conclusie
DUNE is het soort wetenschappelijk megaproject dat op het eerste gezicht geen directe toepassing lijkt te hebben. In dit opzicht is het zeer vergelijkbaar met de meeste vroege deeltjesfysica‑ en kwantumfysicawetenschappen van het begin van de 20ste eeuw.
Deze vroege zoektocht naar het fundamentele aspect van onze realiteit zou echter uiteindelijk resultaten opleveren die nodig zijn voor vooruitgang zoals kernenergie (en bommen), elektronenmicroscopie, geavanceerde microchips, satellieten, enz.
Het is waarschijnlijk dat een dieper begrip van neutrino’s soortgelijke langetermijnresultaten zal hebben voor technologische vooruitgang, waarbij de meeste ontwikkelingen tientallen jaren later onvoorspelbaar zijn.
Better understanding neutrinos and how to produce them could also have an array of applications:
- Transformeer opgebruikt brandstof uit kernreactoren in materialen met lagere radioactiviteit, of gebruik neutrino’s om radioactieve brandstof te monitoren.
- Gebruik neutrino’s om onderwater nucleaire onderzeeërs te monitoren, de focus van DARPA’s geheime Experimental Neutrino Detector-programma.
- Inspecteer de aarde op holtes met potentiële olie‑ of mineraaldeposities.
- Neutrino‑communicatie, mogelijk zelfs interstellaire communicatie in de verre toekomst.
Neutrino Bedrijf
Neutrino Energy
Hoewel rijk aan potentiële toekomstige toepassingen, lijkt neutrino‑wetenschap nog ver verwijderd van regulier commercieel gebruik. Dit zou kunnen veranderen volgens een zeer ambitieus Duits privé‑startup, Neutrino Energy.
Het bedrijf onderzoekt het zeer nieuwe concept van neutrinovoltaics, of de opwekking van elektriciteit uit de constante flux van neutrino’s om ons heen. Hoe dit werkt, is door een laag grafeen te gebruiken, een 2D‑materiaal gemaakt van koolstof (volg de link voor een volledige uitleg van 2D‑materiaal zoals grafeen of goldene).
Deze methode zou de thermische (Brownse) beweging van grafeenatomen omzetten in bruikbare elektriciteit, in wezen energie uit het niets produceren. Een soortgelijk fenomeen treedt op bij grafeen, waarbij neutrino’s de atoomkernen ‘duwen’, net als bij argonatomen in de DUNE‑neutrino‑detector.
Het bedrijf heeft aangekondigd dat het binnenkort zijn eerste prototype, genaamd de Powercube, zal presenteren, bedoeld om de technologie te demonstreren, ontwikkeld met behulp van AI.
Het bedrijf werkt ook samen met het Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) in India, met als doel “een zelfopladend elektrisch voertuig te creëren dat wordt aangedreven door neutrinovoltaic‑technologie”.
Het is moeilijk te zeggen hoe dicht het concept bij enige commercialisering staat, aangezien het er nu alleen maar een concept lijkt te zijn met weinig onthulling over de potentiële energie‑output of economische aspecten. Maar dit is zeker het dichtstbijzijnde bij een “neutrino‑bedrijf” dat momenteel op de markt is.
