Djupunderjordiskt Neutrin‑experiment (DUNE): Avkoda universums mysterier

Att få en glimt av den mest undflyende partikeln

Fundamentell fysik har alltid förlitat sig på en blandning av teori och experiment för att utveckla vår förståelse av universum. Än idag är en av de svåraste frågorna om den grundläggande naturen av gravitationen och de krafter som styr universum. Det har länge varit känt att svaret sannolikt finns i en undflyende och nästan omöjligt att studera partikel: neutrino.

Detta är målet med megaprojektet Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE‘. Detta är ett imponerande företag som sträcker sig över flera delstater i USA och omfattar mer än 800 miles /1,300 km av underjordiska experiment.

Vad är neutriner?

Neutriner är en elektriskt neutral partikel med en extremt liten massa som länge har antagits vara noll. För närvarande vet vi inte alls varför neutriner har massa, förutom att det verkar fungera på ett annat sätt än för andra partiklar.

Det som gör neutriner unika är att de i princip är ”spökpartiklar”, som knappt interagerar med annan materia alls. Detta beror på att neutriner bara interagerar med 2 av de 4 grundläggande krafterna i universum: gravitation och svag växelverkan.

Eftersom den svaga växelverkan har en mycket kort räckvidd, och gravitation knappt påverkar de lågmassa neutrinerna, passerar neutriner vanligtvis genom materia utan att interagera eller bromsas. Som ett resultat färdas neutriner nästan med ljusets hastighet.

Neutriner är en grundläggande partikel som inte kan delas upp i mindre komponenter och finns i 3 varianter: elektronneutriner, muonneutriner och taunetrin. För att göra saken ännu mer komplicerad verkar neutriner regelbundet skifta mellan dessa 3 varianter.

Det är också möjligt att en 4^th existerar också, sterila neutriner, ännu svårare att upptäcka än de andra.

De flesta neutriner produceras av kärnreaktioner, från kärnfusioner i stjärnor till radioaktivt sönderfall i jordens kärna.

Trots sin undflyende natur anses neutriner vara den mest abundanta partikeln i universum. Ungefär tusen biljoner neutriner passerar genom vår kropp varje sekund.

Du kan lära dig mer om neutriner på den dedikerade webbplatsen “allt om neutriner” skapad av Fermilab.

DUNEs design

Hur kan vi upptäcka och studera en partikel som färdas med ljusets hastighet när den dessutom inte interagerar med vanlig materia? Detta är frågan som DUNE försöker besvara.

DUNE kommer att sträcka sig mellan Fermilab, Amerikas partikel‑ och acceleratorlaboratorium i Illinois, och Sanford Underground Research Facility (SURF eller Sanford Lab) i South Dakota.

Källa: DUNE

De olika platserna kommer var för sig att ha sina egna specialiserade uppgifter att utföra.

Fermilab

En protonaccelerator kallad Proton Improvement Plan-II (PIP-II) används på Fermilab‑platsen för att skapa ett flöde av neutriner. PIP-II är en uppgradering av den tidigare partikelaccelerationen på Fermilab. Den använder supraledande radiofrekvensteknik för att leverera kraftfulla protonstrålar som, färdande nästan med ljusets hastighet, kan anpassas för en mängd olika experiment.

Accelerationsstrukturerna kommer att kylas till 2 K (-456 °F / -271 °C, 2 grader över absolut noll) för att möjliggöra effektiv, högkraftsacceleration.

Denna kylning uppnås tack vare en gigantisk, lagerstor kylenhet som fortfarande är under byggnation.

Källa: Fermilab

En del av kylenheten, den kryogena coldboxen, byggdes i Europa av CERN och anlände till Fermilab i december 2024.

Källa: Fermilab

Fermilab kommer också att ha en detektor som registrerar partikelinteraktioner nära strålens källa. En 18 meter hög (60 fot) kulle byggdes för att luta strålningslinjen i rätt vinkel för att skicka neutriner mot South Dakota. Partikelstrålen riktas nedåt för att ta hänsyn till jordens krökning och stoppas inte av de 800 miles av berg mellan.

Källa: Fermilab

Sanford Underground Research Facility (SURF)

SURF kommer att hysa den största neutrindetektorn av sin typ som någonsin byggts. Den kommer att använda 70 000 ton flytande argon för att fånga neutriner som interagerar med vanlig materia.

Totalt kommer 4 detektormoduler att byggas, stödda av stora kryogena stödsystem.

Källa: Fermilab

Det byggs djupt under jord, 1 mile / 1,5 km djupt, genom att återanvända en gammal guldgruvschakt för att gå djupt ner och bygga en massiv konstgjord underjordisk grotta.

Totalt grävdes cirka 800 000 ton berg för att skapa utrymme för de fyra DUNE‑fjärrdetektormodulerna och de nödvändiga underjordiska anläggningarna. Dessa berg dumpades i ett tidigare gruvområde.

Källa: Fermilab

Tillsammans bildar Fermilabs protonaccelerator, detektor och SURFs neutrindetektorer Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).

Vad kan DUNE uppnå?

Det är alltid svårt att exakt förutsäga vad ett partikelfysikexperiment kommer att uppnå, vilket trots allt är poängen. Vi kan dock förvänta oss framsteg inom tre olika områden från DUNE‑projektet.

Ursprunget till materia

Sedan den initiala explosionen av materia och antimateria vid Big Bang har materia blivit den dominerande partikeln i universum. Det är fortfarande inte riktigt klart varför, eftersom båda tros ha skapats i lika mängder.

Neutriner kan vara svaret. Vissa fysiker tror att neutriner är unika genom att de också är sina egna antipartiklar. Andra tror att skiftandet av neutriner mellan smaker kan vara den viktiga delen. I vilket fall som helst kan neutriner ha tippt balansen mot dagens dominans av materia.

Alternativt, om det blir bevisat att neutriner inte är ansvariga, skulle det innebära att fysiker måste ompröva sina teorier om universums ursprung.

Förening av krafterna

Sambandet mellan de 4 grundläggande krafterna (elektromagnetism, svag kärnkraft, stark kärnkraft och gravitation) är fortfarande dåligt förstått.

DUNE kan hjälpa till att upptäcka något som teoretiserats men aldrig observerats experimentellt: protonnedbrytning.

Fysiker idag förlitar sig mest på Standardmodellen för partikel­fysik. Den är ett solitt ramverk, men den misslyckas med att förklara vissa fenomen och förena de olika krafterna. Om protonnedbrytning mäts skulle det ge insikt i vilket alternativt modell som skulle fungera istället för de teoretiska grand unified theories (GUTs), kvantgravitation, supersymmetri, etc.

Svarta hål

Neutriner produceras i stora mängder under kollapsen av stjärnor till svarta hål. DUNEs enastående förmåga att detektera neutriner kan hjälpa oss att se vad som händer inuti neutronstjärnor och potentiellt bevittna födelsen av ett svart hål.

Detta kan i sin tur hjälpa oss att bättre förstå gravitation, både på kosmisk och kvantnivå.

DUNEs personer

DUNE involverar mer än 30 länder och 1 000 forskare.

Källa: DUNE

Det skulle vara omöjligt att beskriva varje forskares bidrag till detta massiva kollektiva projekt. Vi kan dock lyfta fram deltagandet av några av dem:

Pantaleo Raimondi

Källa: DUNE

Han är den nya projektledaren för Proton Improvement Plan II, efter ett livslångt arbete med partikelacceleratorer vid CERN, DAFNE och ESFR.

“Pantaleo gick med i PIP-II vid rätt tidpunkt. När projektet avslutar alla sista designaktiviteter, driver igenom upphandlingsfasen och påbörjar detaljerad integrations‑ och driftsättningsplanering, kommer hans erfarenhet från att leda dessa insatser vid ESRF och andra ställen att vara ovärderlig.”

Allan Rowe – PIP-II teknisk integrationschef

Carlo Rubia

En Nobelpristagare och tidigare chef för CERN, han utvecklade först den neutrindetekteringsmetod som DUNE använder.

Under hans mandat, år 1993, ”CERN gick med på att låta vem som helst använda webbprotokollet och koden kostnadsfritt … utan någon royalty eller annan begränsning”.

Du kan lyssna på honom när han pratar om DUNE‑projektet och andra neutrinforskningsprojekt som ICARUS i den här videon.

Alexandre Sousa

En specialist på neutriner, han har ett särskilt fokus på sterila neutriner och ”bortom‑standardmodellsfysik”.

Källa: DUNE

“Det kanske inte gör någon skillnad i ditt dagliga liv, men vi försöker förstå varför vi är här. Neutriner verkar hålla nyckeln till att besvara dessa mycket djupa frågor.

”Med dessa två detektormoduler och den mest kraftfulla neutrinsträlen någonsin kan vi göra mycket vetenskap. Att DUNE blir operativt kommer att vara extremt spännande. Det kommer att bli det bästa neutrinexperimentet någonsin.”

Alexandre Sousa på Phys.org

Stigande kostnader och tidslinje

Projektets konstruktion startade 2017, och den första grävningen i Dakota började 2019. Den första grävningen för huvudgrottan i Dakota startade 2021.

I augusti 2024 registrerade prototypsdetektorn sina första acceleratorproducerade neutriner.

Källa: DUNE

Det har dock inte varit en enkel process. Till exempel var gruvschaktet tvunget att renoveras innan berg kunde brytas för att bygga de underjordiska grottorna, vilket försenade projektet och kostade minst ytterligare 300 M$.

Uppgraderingen av Fermilabs partikelaccelerator medförde ytterligare en kostnad på 1 Mrd $. Uppgraderingen medförde också en allvarlig incident, där en arbetare föll 23 fot på betong, vilket ledde till ett halvt års avbrott i byggandet tills säkerhetsprocedurer kunde granskas.

Sammanlagt var de ursprungliga projektuppskattningarna på ett pris på 1,5 Mrd $ och att vara färdigt år 2035. Det verkar nu mer sannolikt att det blir 3,3 Mrd $ och en deadline 2040. När allt räknas med kan projektet kosta så mycket som 5 Mrd $ för de amerikanska skattebetalarna.

Detta har lett till viss kritik i pressen och av icke‑involverade forskare.

 “Ja, det finns lite brus där ute, men de som skriver sådana saker vet inte vad de pratar om. De tidiga dagarna av ett projekt definieras alltid av överväldigande optimism som aldrig visar sig vara sann.

James Webb Space Telescope lanserades i december 2021 efter år av förseningar och kostnadsöverskridanden, och den bryter nu regelbundet ny mark i kosmos. Det finns ingen botemedel som framgång.”

Ron Ray, DUNEs biträdande projektledare

Men även med förseningar och extra kostnader skulle ett uppgivande av DUNE innebära att USA hamnar efter resten av världen inom partikel­fysik.

Konkurrensen ökar

Detta är särskilt fallet eftersom två andra megaprojekt inom neutrinförsök också ökar i omfattning. Ett i Japan och ett i Kina.

“Allt som är värt att göra innebär konkurrens. Men detta är inte ett enkelt hästlopp; neutrinförsök har alltid involverat internationellt samarbete.

Dessutom har DUNE ytterligare mål, som inkluderar att leta efter mörk materia, den osynliga substansen som utgör största delen av kosmos, och att studera neutriner från de kataklysmiska dödsfallen av avlägsna stjärnor.

Bakom kulisserna har DUNE‑forskare gjort stadiga framsteg mot att förfina flytande‑argon‑detektorn, som fortfarande var en ny teknik år 2012 när DUNEs designers satsade på den. Jag ser på hela listan av saker som kunde ha utvecklats annorlunda och det är som om alla stjärnor är i linje.”

Sam Zeller – Fysiker vid Fermilab

Hyper‑Kamiokand

Hyper‑Kamiokand, eller Hyper‑K, är eftertraktaren till Super‑Kamiokand, som 1998 fann den första starka bevisningen för neutriners oscillation mellan neutrintyper. Super‑Kamiokand var också avgörande för att bevisa att neutriner har massa.

Till skillnad från DUNE, som planerar att bygga en helt ny design av neutrinförsök, är Hyper‑K mer en uppgradering av befintlig teknik. Detta kommer sannolikt att hjälpa den att utvecklas snabbare, med driftsstart redan 2027.

Detta kan hjälpa den att göra en första, grov uppskattning av obalansen mellan neutriner och antineutriner.

Hyper‑K och DUNE kan vara mer partners än konkurrenter, eftersom olika neutrindetekteringsmetoder kan hjälpa vid samma mätning. Vissa specifika mätningar kan också fungera bättre på den ena än den andra av tekniska skäl. Eftersom både Japan och USA har en lång historia av vetenskapligt samarbete, kommer det sannolikt att bli en vänskaplig rivalitet mellan Hyper‑K och DUNE.

Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)

I kontexten av den stora maktkampen mellan USA och Kina kommer JUNO sannolikt att ses som en konkurrent till DUNE.

JUNO har ett försprång som förstörande aktör och har en unik experimentell design ur ett fysikperspektiv. Som ett internationellt samarbetsprojekt lett av Kina kommer JUNO ytterligare stärka Kinas ledande position inom detta område.

Global Times
Detektorn är byggd av en 44 meter djup cylindrisk pool i den underjordiska salen, begravd djupt i ett granitlager på en kulle. Sedan december 2024 har den fyllts med ultrarent vatten med en hastighet av 100 ton per timme.

Källa: Global Times

Denna pool rymmer detektorn, som är utrustad med 20 000 fotomultiplikatorrör på 20 tum och 25 000 fotomultiplikatorrör på tre tum, samt kablar, magnetiska avskärmningsspolar, ljusavskärmare och andra komponenter.

Poolen skyddar detektorn från störningar av kosmiska strålar vid neutrindetektion, samt naturlig radioaktivitet från den omgivande berget.

Vätskeinjektionen kommer att ske i två steg. Under de första två månaderna kommer ultrarent vatten att fylla utrymmena inuti och utanför den akryliska sfären i den centrala detektorn. Under de följande sex månaderna kommer det ultrarena vattnet inuti sfären att ersättas med en vätskescintillator.

Hela vätskeinjektionsprocessen förväntas vara klar i augusti 2025, varefter anläggningen officiellt påbörjar drift och datainsamling.

Global Times

Framtida neutrino‑projekt

DUNE, Hyper‑K och JUNO är de neutrino‑projekt som redan är under konstruktion. Andra är fortfarande i konceptstadiet men kan låsa upp ytterligare förståelse av partikel­fysik.

Ett av dem är Enhanced NeUtrino BEams from kaon Tagging (ENUBET), ett europeiskt projekt. Det kommer att försöka detektera den laddade lepton som skapas varje gång en neutrino produceras. Detta kan fördjupa vår förståelse av obalansen mellan materia och antimateria.

Ett annat är NuTag, som använder en ny experimentell teknik: neutrintaggning. Detta skulle använda en ny typ av neutrinstrahlinje. Detta är en design som redan föreslogs 1979, men först nyligen har kisel­detektorer kunnat överleva direkt exponering för en hadronkälla.

DUNE‑slutsats

DUNE är den typ av vetenskapligt megaprojekt som inte verkar ha någon direkt tillämpning vid första anblicken. I detta är det mycket likt de flesta av de tidiga partikel‑ och kvantfysikvetenskaperna från början av 1900‑talet.

Denna tidiga undersökning av den grundläggande aspekten av vår verklighet skulle dock i slutändan producera resultat som krävs för framsteg som kärnkraft (och bomber), elektronmikroskopi, avancerade mikrochips, satelliter, etc.

Det är sannolikt att en djupare förståelse av neutriner kommer att ha liknande långsiktiga resultat för teknologisk utveckling, med de flesta framsteg årtionden fram i tiden omöjliga att förutsäga.

Bättre förståelse av neutriner och hur man producerar dem kan också ha en rad tillämpningar:

• Omvandla använt bränsle från kärnreaktorer till material med lägre radioaktivitet, eller använda neutriner för att övervaka radioaktivt bränsle.
• Använda neutriner för att övervaka undervattensnukleära ubåtar, fokus för DARPA:s hemliga Experimental Neutrino Detector‑program.
• Inspektera jorden efter håligheter med potentiella olje- eller mineralförekomster.
• Neutrinokommunikation, potentiellt även interstellär kommunikation i en avlägsen framtid.

Neutrinföretag

Neutrino Energy

Trots de många potentiella framtida tillämpningarna verkar neutrinforskning vara långt ifrån att regelbundet användas för kommersiella tillämpningar. Detta kan förändras enligt en mycket ambitiös tysk privat startup, Neutrino Energy.

Företaget utforskar det helt nya konceptet neutrinovoltaik, eller generering av elektricitet från den ständiga neutrinsträmen runt omkring oss. Så här fungerar det: genom att använda ett lager av grafen, ett 2D‑material gjort av kol (följ länken för en fullständig förklaring av 2D‑material som grafen eller goldene).

Denna metod skulle omvandla den termiska (Browniska) rörelsen hos grafenatomer till användbar elektricitet, i princip producera energi ur intet. Ett liknande fenomen sker i grafen, där neutriner ”skjuter” atomkärnorna, precis som med argonatomer i DUNEs neutrindetektor.

Företaget har annonserat sin kommande första prototyp, kallad Powercube, som ska demonstrera teknologin, utvecklad med hjälp av AI.

Företaget har också samarbetat med Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) i Indien, med målet att ”skapa ett självladdande elfordon drivna av neutrinovoltaisk teknik”.

Det är svårt att säga hur nära någon kommersialisering konceptet är, eftersom det för närvarande bara är ett koncept med lite information om potentiell effektutgång eller ekonomi. Men detta är definitivt det närmaste en “neutrinföretag” som finns på marknaden idag.