Megaprosjekter
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE): Avkoding av universets mysterier
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Fang et glimt av den mest unnvikende partikkelen
Fundamental fysikk har alltid vært avhengig av en blanding av teori og eksperimenter for å fremme vår forståelse av universet. Den dag i dag er ett av de vanskeligste spørsmålene å besvare, nemlig den grunnleggende naturen til gravitasjon og kreftene som styrer universet. Det har lenge vært kjent at svaret sannsynligvis finnes i en unnvikende og nesten umulig å studere partikkel: nøytrinoet.
Dette er målet med megaprojektet Deep Underground Neutrino Experiment, også kalt ‘DUNE. Dette er en imponerende innsats som spenner over flere stater i USA og involverer mer enn 800 miles /1 300 km med underjordiske eksperimenter.
Hva er nøytrinoer?
Nøytrinoer er en elektrisk nøytral partikkel med en ekstremt liten masse som lenge har blitt antatt å være null. For øyeblikket vet vi ikke i det hele tatt hvorfor nøytrinoer har masse, bortsett fra at det ser ut til å fungere på en annen måte enn for andre partikler.
Det som gjør nøytrinoer unike er at de i hovedsak er «spøkelses»-partikler, som knapt interagerer med andre former for materie.
Siden den svake interaksjonen har en svært kort rekkevidde, og gravitasjon knapt påvirker de lavmassedelige nøytrinoene, passerer nøytrinoer vanligvis gjennom materie uten å interagere eller bli bremset. Som et resultat beveger nøytrinoer seg nesten med lysets hastighet.
Nøytrinoer er en fundamental partikkel som ikke kan deles opp i mindre komponenter og finnes i 3 varianter: elektron-nøytrinoer, myon-nøytrinoer og tau-nøytrinoer. For å gjøre saken enda mer komplisert ser nøytrinoer ut til jevnlig å skifte mellom disse 3 variantene.
Det er også mulig at en 4th eksisterer også, sterile nøytrinoer, som er enda vanskeligere å oppdage enn de andre.
De fleste nøytrinoer produseres av kjernefysiske reaksjoner, fra kjernefusjon i stjerner til radioaktivt nedbrytning i jordens kjerne.
Til tross for deres unnvikende natur, antas nøytrinoer å være den mest tallrike partikkelen i universet. Omtrent tusen billioner nøytrinoer passerer gjennom kroppen vår hvert sekund.
Du kan lære mer om nøytrinoer på den dedikerte nettsiden “alt om nøytrinoer” opprettet av Fermilab.
DUNEs design
Hvordan kan vi oppdage og studere en partikkel som beveger seg med lysets hastighet når den også ikke interagerer med vanlig materie? Dette er spørsmålet DUNE søker å besvare.
DUNE vil strekke seg mellom Fermilab, Amerikas partikkelfysikk- og akseleratorlaboratorium i Illinois, og Sanford Underground Research Facility (SURF eller Sanford Lab) i South Dakota.
Kilde: DUNE
De ulike stedene vil hver ha sin egen spesialiserte oppgave å utføre.
Fermilab
En protonakselerator kalt Proton Improvement Plan-II (PIP-II) brukes på Fermilab‑stedet for å skape en strøm av nøytrinoer. PIP-II er en oppgradering av den tidligere partikkelakselerasjonen ved Fermilab. Den bruker supraledende radiofrekvensteknologier for å levere kraftige protonstråler som, bevegende seg nesten med lysets hastighet, kan tilpasses et mangfold av eksperimenter.
Akselerasjonsstrukturene vil bli kjølt ned til 2 °K (-456 °F / -271 °C, 2 grader over absolutt null) for å gi effektiv, høy‑effekt akselerasjon.
Denne kjølingen oppnås takket være en gigantisk, lager‑størrelse kjøleenhet, som fortsatt er under bygging.
Kilde: Fermilab
En del av kjøleenheten, den kryogeniske coldboxen, ble bygget i Europa av CERN og ankom Fermilab i desember 2024.
Kilde: Fermilab
Fermilab vil også ha en detektor som vil registrere partikkelinteraksjoner nær kilden til strålen. En 18‑meter høy (60‑fot høy) høyde ble bygget for å helle strålebuen i riktig vinkel for å sende nøytrinoer mot South Dakota. Partikkelstrålen er rettet nedover for å ta hensyn til jordens krumning og stoppes ikke av de 800 milene med stein imellom.
Kilde: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
SURF vil inneholde verdens største nøytrinodetektor av sin type som noen gang er bygget. Den vil bruke 70 000 tonn flytende argon for å fange nøytrinoer som interagerer med vanlig materie.
Totalt vil 4 detektormoduler bli bygget, støttet av store kryogene støttesystemer.
Kilde: Fermilab
Dette bygges dypt under jorden, 1 mil / 1,5 km dypt, ved å omgjøre en gammel gullgruveskakt for å gå dypt ned og bygge en massiv kunstig underjordisk hule.
Totalt ble omtrent 800 000 tonn stein gravd ut for å lage plass til de fire DUNE‑fjern‑detektormodulene og de nødvendige fasilitetene under jorden. Disse steinene ble dumpet i et tidligere gruveområde.
Kilde: Fermilab
Sammen danner Fermilab‑protonakseleratoren, detektoren og SURF‑nøytrinodetektorene Long‑Baseline Neutrino Facility (LBNF).
Hva kan DUNE oppnå?
Det er alltid vanskelig å forutsi nøyaktig hva et partikkelfysikk‑eksperiment vil oppnå, noe som i bunn og grunn er poenget. Imidlertid kan vi forvente fremgang på tre ulike temaer fra DUNE‑prosjektet.
Opprinnelsen til materie
Siden den første eksplosjonen av materie og antimaterie ved Big Bang, har materie blitt den dominerende partikkelen i universet. Det er fortsatt ikke helt klart hvorfor, da begge antas å ha blitt skapt i like mengder.
Nøytrinoer kan være svaret. Noen fysikere mener at nøytrinoer er unike fordi de også er sine egne antipartikler. Andre tror at skiftet av nøytrinoer mellom smaker kan være den viktige delen. Uansett kan nøytrinoer ha tippet vekten mot dagens dominans av materie.
Alternativt, hvis det blir bevist at nøytrinoer ikke er ansvarlige, vil dette bety at fysikere må tegne om teoriene sine om universets opprinnelse.
Forenings av kreftene
Sammenhengen mellom de 4 grunnleggende kreftene (elektromagnetisme, svak kjernekraft, sterk kjernekraft og gravitasjon) er fortsatt dårlig forstått.
DUNE kan bidra til å oppdage noe som er teoretisert, men aldri observert eksperimentelt: protonnedbrytning.
Fysikere i dag baserer seg for det meste på Standardmodellen for partikkelfysikk. Den er et solid rammeverk, men den klarer ikke å forklare noen fenomener og forene de ulike kreftene. Hvis protonnedbrytning blir målt, vil det gi oss innsikt i hvilket alternativt modell som kan fungere i stedet for de teoretiske grand unified theories (GUTs), kvantegravitasjon, supersymmetri, osv.
Svart hull
Nøytrinoer produseres i store mengder under kollapsen av stjerner til svarte hull. DUNEs fremragende evne til å oppdage nøytrinoer kan hjelpe oss med å se hva som skjer inne i nøytronstjerner, og potensielt være vitne til fødselen av et svart hull.
Dette kan igjen hjelpe oss med å forstå gravitasjon bedre, både på kosmisk og kvante‑skala.
DUNEs folk
DUNE involverer mer enn 30 land og 1 000 forskere.
Kilde: DUNE
Det ville være umulig å skissere bidraget fra hver forsker til dette massive kollektive prosjektet. Vi kan imidlertid fremheve deltakelsen til noen av dem:
Pantaleo Raimondi
Han er den nye prosjektlederen for Proton Improvement Plan II, etter en livslang karriere med partikkelakseleratorer ved CERN, DAFNE, og ESFR.
“Pantaleo ble med i PIP-II på rett tidspunkt. Når prosjektet avslutter alle sluttdesignaktiviteter, presser gjennom anskaffelsesfasen, og begynner detaljert integrasjons‑ og igangkjøringsplanlegging, vil hans erfaring fra å lede disse innsatsene ved ESRF og andre steder være uvurderlig.”
Carlo Rubia
En Nobelprisvinner og tidligere direktør for CERN, han utviklet først nøytrinodeteksjonsmetoden som brukes av DUNE.
I løpet av sin mandat, i 1993, “CERN gikk med på å la alle bruke web‑protokollen og kode gratis … uten noen royalty eller andre begrensninger”.
Du kan høre ham snakke om DUNE‑prosjektet og andre nøytrinoforskningsprosjekter som ICARUS i denne videoen.
Alexandre Sousa
En spesialist på nøytrinoer, han har et spesielt fokus på sterile nøytrinoer og “bortenfor‑standard‑modellen‑fysikk”.
“Det påvirker kanskje ikke ditt daglige liv, men vi prøver å forstå hvorfor vi er her. Nøytrinoer ser ut til å holde nøkkelen til å svare på disse svært dype spørsmålene.
“Med disse to detektormodulene og den mest kraftfulle nøytrinostrålen noensinne kan vi gjøre mye vitenskap. DUNE som blir operativ vil være ekstremt spennende. Det vil bli det beste nøytrin eksperimentet noensinne.”
Økende kostnader & tidslinje
Prosjektets bygging startet i 2017, og den første utgravingen i Dakota begynte i 2019. Den første utgravingen for hovedhulen i Dakota startet i 2021.
I august 2024, prototype‑detektoren registrerte sine første akselerator‑produserte nøytrinoer.
Kilde: DUNE
Det har imidlertid ikke vært en enkel prosess. For eksempel måtte gruveskakten overhaltes før stein kunne utvinnes for å bygge de underjordiske hulene, noe som forsinket prosjektet og kostet minst ytterligere $300 M.
Oppgraderingen av Fermilab‑partikkelakseleratoren medførte en ekstra regning på $1 Mrd. Oppgraderingen medførte også en alvorlig hendelse, der en arbeider falt 23 fot på betong, noe som førte til et halvt års avbrudd i byggingen til sikkerhetsprosedyrene kunne gjennomgås.
Totalt sett satte de opprinnelige prosjektestimatene prisen til $1,5 Mrd og at den skulle være ferdig innen 2035. Det ser nå mer sannsynlig ut med $3,3 Mrd og en frist i 2040. Når alt tas i betraktning, kan prosjektet koste opptil $5 Mrd for de amerikanske skattebetalerne.
Dette har ført til noe kritikk i pressen og fra ikke‑involverte forskere.
“Ja, det er litt støy der ute, men folkene som skriver de tingene vet ikke hva de snakker om. De tidlige dagene av et prosjekt er alltid preget av overveldende optimisme som aldri viser seg å være sann.
James Webb Space Telescope ble lansert i desember 2021 etter år med forsinkelser og kostnadsoverskridelser, og den bryter nå jevnlig ny kosmisk mark. Det finnes ingen kur som suksess.”
Ron Ray, DUNEs stedfortredende prosjektleder
Imidlertid, selv med forsinkelser og ekstra kostnader, vil å gi opp DUNE bety at USA faller bak resten av verden innen partikkelfysikk.
Konkurranse øker
Dette er spesielt tilfelle ettersom to andre megaprojekter innen nøytrino‑eksperimentering også øker. Ett i Japan og ett i Kina.
«Alt som er verdt å gjøre involverer konkurranse. Men dette er ikke et enkelt hesteveddeløp; nøytrino‑eksperimenter har alltid involvert internasjonalt samarbeid.
I tillegg har DUNE ekstra mål, som inkluderer å lete etter mørk materie, den usette substansen som utgjør mesteparten av kosmos, og studere nøytrinoer fra de kataklysmiske dødsfallene til fjerne stjerner.
Bak kulissene har DUNE‑forskerne gjort jevn fremgang mot å perfeksjonere flytende‑argon‑detektoren, som fortsatt var en ny teknologi i 2012 da DUNEs designere satset på den. Jeg ser på hele listen over ting som kunne ha utviklet seg annerledes, og det er som om alle stjernene stiller seg på linje.»
Sam Zeller – fysiker ved Fermilab
Hyper‑Kamiokande
Hyper‑Kamiokande, eller Hyper‑K, er etterfølgeren til Super‑Kamiokande, som i 1998 fant den første sterke beviset på nøytrino‑osillasjon mellom nøytrinotyper. Super‑Kamiokande var også avgjørende for å bevise at nøytrinoer har masse.
I motsetning til DUNE, som ser på å bygge et helt nytt design av nøytrino‑eksperiment, er Hyper‑K mer en oppgradering av eksisterende teknologi. Dette vil sannsynligvis hjelpe den med å utvikle seg raskere, med oppstart av drift allerede i 2027.
Dette kan hjelpe den med å lage et første, grovt estimat av ubalansen mellom nøytrinoer og antinøytrinoer.
Hyper‑K og DUNE kan være mer partnere enn konkurrenter, da ulike nøytrino‑deteksjonsmetoder kan hjelpe ved utførelse av samme måling. Noen spesifikke målinger kan også fungere bedre på den ene enn den andre av tekniske grunner. Siden både Japan og USA har en lang historie med vitenskapelig samarbeid, vil det sannsynligvis bli mer en vennlig rivalisering mellom Hyper‑K og DUNE.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
I konteksten av den store maktkonkurransen mellom USA og Kina, vil JUNO sannsynligvis bli sett på som en konkurrent til DUNE.
“JUNO har en først‑til‑marked‑fordel og har et unikt eksperimentelt design når det gjelder fysikk. Som et internasjonalt samarbeidsprosjekt ledet av Kina, vil JUNO ytterligere styrke Kinas ledende posisjon på dette feltet.”
Detektoren er laget av et 44‑meter dypt sylindrisk basseng i den underjordiske hallen begravd dypt i et granittlag i en høyde. Siden desember 2024, har den blitt fylt med ultrarent vann med en hastighet på 100 tonn per time.
Kilde: Global Times
Dette bassenget huser detektoren, som er utstyrt med 20 000 fotomultiplikatortuber på 20 tommer og 25 000 fotomultiplikatortuber på tre tommer, samt kabler, magnetiske skjermingsspoler, lysbaffler og andre komponenter.
Bassenget beskytter detektoren mot interferens fra kosmiske stråler ved nøytrino‑deteksjon, samt naturlig radioaktivitet fra den omkringliggende steinen.
“Den flytende injeksjonen vil foregå i to faser. I løpet av de første to månedene vil ultrarent vann fylle rommene inne og utenfor den akryliske sfæren til den sentrale detektoren. I de påfølgende seks månedene vil det ultrarene vannet inne i sfæren bli erstattet med en flytende scintillator.
Hele prosessen med flytende injeksjon forventes å være fullført innen august 2025, hvoretter anlegget offisielt vil begynne drift og datainnsamling.”
Fremtidige nøytrino‑prosjekter
DUNE, Hyper‑K og JUNO er nøytrino‑prosjektene som allerede er under bygging. Andre er fortsatt i konseptstadiet, men kan låse opp ytterligere forståelse av partikkelfysikk.
Et av dem er Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), et europeisk prosjekt. Det vil forsøke å oppdage den ladede leptonen som skapes hver gang et nøytrino produseres. Dette kan videreutvikle vår forståelse av ubalansen mellom materie og antimaterie.
Et annet er NuTag, som bruker en ny eksperimentell teknikk: nøytrino‑merking. Dette vil bruke en ny type nøytrino‑strålelinje. Dette er et design som allerede ble foreslått i 1979, men først nylig har silisiumdetektorer blitt i stand til å overleve direkte eksponering for en hadronkilde‑stråle.
DUNE‑konklusjon
DUNE er den typen vitenskapelig megaprojekt som ved første øyekast ikke ser ut til å ha en direkte anvendelse. I dette er det svært likt de fleste tidlige partikkelfysikk‑ og kvantefysikk‑vitenskapene fra tidlig på 20th‑århundre.
Denne tidlige undersøkelsen av den fundamentale delen av vår virkelighet vil imidlertid til slutt gi resultater som er nødvendige for fremgang som kjernekraft (og bomber), elektronmikroskopi, avanserte mikrochips, satellitter, osv.
Det er sannsynlig at en dypere forståelse av nøytrinoer vil ha lignende langsiktige resultater på teknologisk fremgang, med de fleste fremskritt tiår frem i tid umulige å forutsi.
Bedre forståelse av nøytrinoer og hvordan man produserer dem kan også ha en rekke anvendelser:
- Omforme brukt brensel fra kjernekraftverk til materialer med lavere radioaktivitet, eller bruke nøytrinoer til å overvåke radioaktivt brensel.
- Bruke nøytrinoer til å overvåke undervannskjernefartøyer, fokuset for DARPA sitt hemmelige Experimental Neutrino Detector‑program.
- Undersøke jorden for hulrom med potensielle olje‑ eller mineralforekomster.
- Nøytrino‑kommunikasjon, potensielt også interstellare kommunikasjoner i den fjerne fremtid.
Nøytrino‑selskap
Neutrino Energy
Selv om den er rik på potensielle fremtidige anvendelser, virker nøytrinovitenskap fortsatt langt fra å bli brukt regelmessig i kommersielle sammenhenger. Dette kan endre seg i følge en svært ambisiøs tysk privat oppstart, Neutrino Energy.
Selskapet utforsker det helt nye konseptet neutrinovoltaics, eller generering av elektrisitet fra den konstante strømmen av nøytrinoer rundt oss. Hvordan dette fungerer, er ved å bruke et lag med grafen, et 2D‑materiale laget av karbon (følg lenken for en fullstendig forklaring av 2D‑materialer som grafen eller gull‑like).
Denne metoden ville konvertere den termiske (Brownian) bevegelsen av grafen‑atomer til brukbar elektrisitet, i hovedsak produsere energi ut av ingenting. Et lignende fenomen skjer med grafen, der nøytrinoer «skyver» atomkjernene, som med argon‑atomer i DUNE‑nøytrinodetektoren.
Selskapet har også kunngjort sin kommende første prototype, kalt Powercube, som skal demonstrere teknologien, utviklet med hjelp av AI.
Selskapet har også samarbeidet med Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) i India, med mål om «å skape et selvladende elektrisk kjøretøy drevet av neutrinovoltaisk teknologi».
Det er vanskelig å si hvor nær kommersialisering konseptet er, da det ser ut til at det foreløpig bare er et konsept med lite avsløring om potensiell energiproduksjon eller økonomi. Men dette er definitivt det nærmeste en «nøytrinoselskap» på markedet akkurat nå.
