Megaprojects
Malalim na Underground na Neutrino Experiment (DUNE): Pagbubunyag sa mga Misteryo ng Uniberso
Idagdag ang Securities.io sa mga gusto mong mapagkunan sa Google
Pagkuha ng Sulyap sa Pinakahirap Mahuli na Partikulo
Ang pundamental na pisika ay palaging nakasalalay sa kombinasyon ng teorya at mga eksperimento upang mapalawak ang ating pag-unawa sa Uniberso. Hanggang ngayon, isa sa mga pinakamahirap sagutin na tanong ay tungkol sa pundamental na kalikasan ng grabidad at mga puwersang nagdidirekta sa Uniberso. Matagal nang alam na ang sagot ay malamang matatagpuan sa isang mahirap hulihin at halos imposibleng pag-aralan na partikulo: ang neutrino.
Ito ang layunin ng megaproject Deep Underground Neutrino Experiment, aka ‘DUNE.’ Ito ay isang kahanga-hangang pagsisikap na sumasaklaw sa maraming estado sa US at kinabibilangan ng higit sa 800 milya /1,300 km ng mga underground na eksperimento.
Ano ang mga Neutrino?
Ang mga neutrino ay isang electrically neutral na partikulo na may napakaliit na masa na matagal nang inakala na wala. Sa kasalukuyan, hindi natin alam kung bakit may masa ang mga neutrino, maliban na tila gumagana ito sa ibang paraan kumpara sa ibang mga partikulo.
Ang nagpapakilala sa mga neutrino ay ang pagiging halos “multo” na mga partikulo, na halos hindi nakikipag-ugnayan sa ibang anyo ng materya. Ito ay dahil ang mga neutrino ay nakikipag-ugnayan lamang sa 2 sa 4 na pundamental na puwersa sa Uniberso: grabidad at mahinang interaksyon.
Dahil ang mahinang interaksyon ay may napakaikling saklaw, at ang grabidad ay halos hindi naaapektuhan ang mababang-masang mga neutrino, kadalasan ay dumadaan ang mga neutrino sa materya nang hindi nakikipag-ugnayan o bumabagal. Bilang resulta, halos kasing bilis ng liwanag ang paglalakbay ng mga neutrino.
Ang mga neutrino ay isang pundamental na partikulo na hindi maaaring hatiin sa mas maliliit na bahagi at may 3 uri: electron neutrinos, muon neutrinos, at tau neutrinos. Upang lalong gawing kumplikado, tila regular na lumilipat ang mga neutrino sa pagitan ng 3 uri na ito.
Posible rin na may isang 4th na umiiral din, sterile neutrinos, na mas mahirap matuklasan kaysa sa iba.
Karamihan sa mga neutrino ay nililikha ng mga nuklear na reaksyon, mula sa nuclear fusion sa mga bituin hanggang sa radioactive decay sa gitna ng Earth.
Sa kabila ng kanilang kahirapan, iniisip na ang mga neutrino ay ang pinaka-maraming partikulo sa Uniberso. Tinatayang libu-libong trilyon na neutrino ang dumadaan sa ating katawan bawat segundo.
Maaari kang matuto pa tungkol sa mga neutrino sa dedikadong website “lahat ng bagay tungkol sa neutrino” na nilikha ng Fermilab.
Disenyo ng DUNE
Paano natin matutuklasan at pag-aaralan ang isang partikulo na naglalakbay sa bilis ng liwanag ngunit hindi nakikipag-ugnayan sa normal na materya? Ito ang tanong na sinusubukan sagutin ng DUNE.
Ang DUNE ay mag-uugnay sa pagitan ng Fermilab, ang laboratoryo ng particle physics at accelerator ng Amerika sa Illinois, at ng Sanford Underground Research Facility (SURF o Sanford Lab) sa South Dakota.
Pinagmulan: DUNE
Ang iba’t ibang mga site ay magkakaroon ng kani-kanilang espesyalisadong gawain na tutuparin.
Fermilab
Isang proton accelerator na tinatawag na Proton Improvement Plan-II (PIP-II) ang ginagamit sa site ng Fermilab upang lumikha ng daloy ng mga neutrino. PIP-II ay isang pag-upgrade sa nakaraang particle acceleration sa Fermilab. Gumagamit ito ng superconducting radio-frequency na teknolohiya upang magbigay ng malalakas na proton beam na, naglalakbay halos sa bilis ng liwanag, ay maaaring iangkop para sa iba’t ibang uri ng eksperimento.
Ang mga accelerating structure ay pinalalamig sa 2°K (-456°F / -271°C, 2 degrees above absolute zero) upang magbigay ng epektibo, mataas na kapangyarihan, na pag-accelerate.
Ang paglamig na ito ay nakamit sa tulong ng isang napakalaki, warehouse-sized na cooling unit, na kasalukuyang ginagawa pa.
Pinagmulan: Fermilab
Isang bahagi ng cooling unit, ang cryogenic coldbox, ay ginawa sa Europa ng CERN at dumating sa Fermilab noong Disyembre 2024.
Pinagmulan: Fermilab
Magkakaroon din ang Fermilab ng detector na magre-record ng particle interactions malapit sa pinagmulan ng beam. Isang burol na 18 metro ang taas (60 talampakan) ang itinayo upang i-slope ang beamline sa tamang anggulo upang ipadala ang mga neutrino patungo sa South Dakota. Ang particle beam ay nakatutok pababa upang isaalang-alang ang kurbada ng Earth at hindi napipigil ng 800 milya ng mga bato sa pagitan.
Pinagmulan: Fermilab
Sanford Underground Research Facility (SURF)
Ang SURF ay magtataglay ng pinakamalaking neutrino detector ng ganitong uri na kailanman naitayo. Gagamit ito ng 70,000 tonelada ng liquid argon upang mahuli ang neutrino na nakikipag-ugnayan sa normal na materya.
Sa kabuuan, 4 na detector module ang itatayo, suportado ng malalaking cryogenic support system.
Pinagmulan: Fermilab
Ito ay itinatayo nang malalim sa ilalim ng lupa, 1 milya / 1.5km ang lalim, muling ginagamit ang isang lumang shaft ng ginto upang bumaba nang malalim at magtayo ng isang napakalaking artipisyal na kuweba sa ilalim ng lupa.
Sa kabuuan, humigit-kumulang 800,000 tonelada ng bato ang inukay upang lumikha ng puwang para sa apat na DUNE far detector modules at ang kinakailangang utilities sa ilalim ng lupa. Ang mga batong ito ay itinapon sa dating mining area.
Pinagmulan: Fermilab
Sama-sama, ang Fermilab proton accelerator, detector, at ang SURF neutrino detectors ay bumubuo ng Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF).
Ano ang Maaaring Makamit ng DUNE?
Palaging mahirap hulaan nang eksakto kung ano ang makakamit ng isang particle physics experiment, na siyang layunin nito. Gayunpaman, maaari nating asahan ang pag-unlad sa tatlong iba’t ibang paksa mula sa proyektong DUNE.
Pinagmulan ng Materiya
Mula sa unang pagsabog ng materiya at antimateriya sa Big Bang, ang materiya ang naging nangingibabaw na partikulo sa Uniberso. Hindi pa malinaw kung bakit, dahil parehong iniisip na nilikha nang pantay ang dalawa.
Maaaring sagot ang mga neutrino. Iniisip ng ilang physicist na kakaiba ang mga neutrino dahil sila rin ay kanilang sariling antiparticles. Iniisip naman ng iba na ang paglipat ng mga neutrino sa pagitan ng mga flavor ay mahalaga. Sa anumang kaso, maaaring ang mga neutrino ang nagbaling ng timbangan patungo sa kasalukuyang dominasyon ng materiya.
Kung mapapatunayan naman na ang mga neutrino ay hindi responsable, ibig sabihin ay kailangang i-rebisa ng mga physicist ang kanilang mga teorya tungkol sa pinagmulan ng Uniberso.
Pagkakaisa ng mga Puwersa
Ang koneksyon sa pagitan ng 4 na pundamental na puwersa (elektromagnetismo, mahinang nuklear, malakas na nuklear, at grabidad) ay patuloy na hindi lubos na nauunawaan.
Maaaring makatulong ang DUNE na matuklasan ang isang teoretikal ngunit hindi pa nasusubukan experimentally: ang pag-decompose ng proton.
Ang mga physicist ngayon ay karamihan ay umaasa sa Standard Model ng particle physics. Ito ay isang matibay na balangkas, ngunit hindi nito napapaliwanag ang ilang phenomena at hindi nagkakaisa ang iba’t ibang puwersa. Kung masukat ang pag-decompose ng proton, magbibigay ito ng insight sa kung anong alternatibong modelo ang maaaring gumana sa halip ng mga theoretical grand unified theories (GUTs), quantum gravity, supersymmetry, atbp.
Mga Black Hole
Ang mga neutrino ay nililikha nang malaki sa panahon ng pag-collapse ng mga bituin patungo sa mga black hole. Ang natatanging kakayahan ng DUNE sa pag-detect ng neutrino ay maaaring makatulong na masilip kung ano ang nangyayari sa loob ng mga neutron star, at posibleng masaksihan ang pagsilang ng isang black hole.
Ito, sa kalaunan, ay makakatulong sa atin na mas maunawaan ang grabidad, kapwa sa kosmikong at quantum na antas.
Mga Tao sa DUNE
Ang DUNE ay kinabibilangan ng higit sa 30 bansa at 1,000 na siyentipiko.
Pinagmulan: DUNE
Imposibleng ilahad ang kontribusyon ng bawat siyentipiko sa napakalaking proyektong ito. Gayunpaman, maaari naming i-highlight ang partisipasyon ng ilan sa kanila:
Pantaleo Raimondi
Siya ang bagong project director para sa Proton Improvement Plan II, matapos ang isang buong buhay na pagtatrabaho sa mga particle accelerator sa CERN, DAFNE, at ESFR.
“Sumali si Pantaleo sa PIP-II sa tamang panahon. Habang tinatapos ng proyekto ang lahat ng huling disenyo, itinutulak ang yugto ng procurement, at nagsisimula ng detalyadong integration at commissioning planning, ang kanyang karanasan mula sa pangunguna sa mga pagsisikap na ito sa ESRF at iba pa ay napakahalaga.”
Carlo Rubia
Isang Nobel Laureate at dating direktor ng CERN, siya ang unang nag-develop ng neutrino detection method na ginagamit ng DUNE.
Sa panahon ng kanyang mandato, noong 1993, “Pumayag ang CERN na payagan ang sinuman na gamitin ang Web protocol at code nang libre … nang walang anumang royalty o ibang limitasyon”.
Maaari mong pakinggan siya na nag-uusap tungkol sa proyektong DUNE at iba pang neutrino research projects tulad ng ICARUS sa video na ito.
Alexandre Sousa
Isang espesyalista sa mga neutrino, siya ay may espesyal na pokus sa sterile neutrinos at “beyond-the-standard-model physics”.
“Maaaring hindi ito magdulot ng malaking pagbabago sa iyong pang-araw-araw na buhay, ngunit sinusubukan naming maunawaan kung bakit tayo narito. Ang mga neutrino ay tila hawak ang susi sa pagsagot sa mga napakalalim na tanong na ito.
“Sa dalawang detector module na ito at ang pinakamakapangyarihang neutrino beam na kailanman, marami kaming magagawa sa agham. Ang pag-online ng DUNE ay magiging napaka-exciting. Ito ang pinakamahusay na neutrino experiment kailanman.”
Tumataas na Gastos at Timeline
Nagsimula ang konstruksyon ng proyekto noong 2017, at ang unang pag-ukay sa Dakota ay nagsimula noong 2019. Ang unang pag-ukay para sa pangunahing kuweba sa Dakota ay nagsimula noong 2021.
Noong Agosto 2024, naitala ng prototype detector ang unang accelerator-produced neutrinos nito.
Pinagmulan: DUNE
Gayunpaman, hindi ito naging isang diretso na proseso. Halimbawa, kinailangan munang i-overhaul ang shaft ng minahan bago ma-extract ang bato para itayo ang mga underground cavern, na nagdulot ng pagkaantala sa proyekto at nagdagdag ng hindi bababa sa $300M na gastos.
Ang pag-upgrade sa Fermilab particle accelerator ay nagdala ng karagdagang $1B na bayarin. Ang pag-upgrade ay sinamahan din ng isang malubhang insidente, kung saan isang manggagawa ang nahulog ng 23 talampakan sa konkreto, na nagdulot ng kalahating taong pagkaantala ng konstruksyon hanggang ma-review ang mga safety procedure.
Sa pangkalahatan, ang paunang pagtatantiya ng proyekto ay naglagay nito sa halagang $1.5B at inaasahang matatapos pagsapit ng 2035. Mukhang mas malamang na $3.3B at deadline na 2040 na ngayon. Kapag isinama ang lahat, maaaring umabot ang gastos ng proyekto hanggang $5B sa mga mamamayang Amerikano.
Ito ay nagdulot ng ilang kritisismo sa press at ng mga siyentistang hindi kasali.
“Oo, may ilang ingay diyan, pero ang mga taong sumusulat ng mga iyon ay hindi alam ang kanilang sinasabi. Ang mga unang araw ng isang proyekto ay palaging tinutukoy ng labis na optimismo na hindi kailanman nagpatunay na totoo.
Ang James Webb Space Telescope ay inilunsad noong Disyembre 2021 matapos ang mga taon ng pagkaantala at sobrang gastos, at ngayon ay regular na nagtatakda ng mga bagong hangganan sa kosmos. Walang kapantay na lunas kundi ang tagumpay.”
Ron Ray, deputy project director ng DUNE
Gayunpaman, kahit na may pagkaantala at karagdagang gastos, ang pagsuko sa DUNE ay magreresulta sa pag-iiwan ng US sa likod ng ibang bansa sa particle physics.
Pagtaas ng Kompetisyon
Ito ay lalo pang totoo dahil dalawang iba pang megaproject sa neutrino experimentation ay umuusad din. Isa sa Japan at isa sa China.
“Anumang bagay na karapat-dapat gawin ay may kasamang kompetisyon. Ngunit hindi ito simpleng karera ng kabayo; ang mga neutrino experiment ay palaging may kasamang internasyonal na kolaborasyon.
Bukod pa rito, may karagdagang layunin ang DUNE, kabilang ang paghahanap ng dark matter, ang hindi nakikitang sangkap na bumubuo sa karamihan ng kosmos, at pag-aaral ng mga neutrino mula sa mapaminsalang kamatayan ng mga malalayong bituin.
Sa likod ng mga eksena, ang mga siyentipiko ng DUNE ay patuloy na umuunlad sa pagpapahusay ng liquid-argon detector, na noong 2012 ay isang bagong teknolohiya pa nang magdesisyon ang mga taga-disenyo ng DUNE na gamitin ito. Tinitingnan ko ang buong listahan ng mga bagay na maaaring nagbago at parang nag-aalign ang lahat ng mga bituin.”
Sam Zeller – Physicist sa Fermilab
Hyper-Kamiokand
Ang Hyper-Kamiokand, o Hyper-K, ay ang kahalili ng Super-Kamiokand, na natuklasan noong 1998 ang unang matibay na ebidensya ng oscillation ng neutrinos sa pagitan ng mga uri. Ang Super-Kamiokand ay naging instrumental din sa pagpapatunay na may masa ang mga neutrino.
Kabaligtaran sa DUNE, na nagbabalak magtayo ng ganap na bagong disenyo ng neutrino experiment, ang Hyper-K ay higit na isang upgrade sa umiiral na teknolohiya. Ito ay malamang na makakatulong na umusad nang mas mabilis, na may pagsisimula ng operasyon sa lalong madaling 2027.
Ito ay makakatulong upang makagawa ng unang, magaspang na estima ng hindi pagkakapantay-pantay sa pagitan ng mga neutrino at antineutrino.
Maaaring mas magkapartner ang Hyper-K at Dune kaysa magkompetensya, dahil ang iba’t ibang neutrino detection methods ay maaaring makatulong kapag gumagawa ng parehong measurement. Ang ilang specific measurements ay maaaring mas mahusay sa isa kaysa sa isa para sa teknikal na kadahilanan. Bilang parehong Japan at USA ay may mahabang kasaysayan ng scientific collaboration, malamang na magiging mas friendly rivalry ito sa pagitan ng Hyper-K at DUNE.
Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
Sa konteksto ng kompetisyon ng mga Great Power sa pagitan ng USA at China, ang JUNO ay malamang na ituring na kakompetensya ng DUNE.
May unang-mover advantage ang JUNO at nagtatampok ng natatanging experimental design sa larangan ng physics. Bilang isang internasyonal na collaborative project na pinamumunuan ng China, lalong palalakasin ng JUNO ang nangungunang posisyon ng China sa larangang ito.”
Ang detector ay gawa mula sa isang 44-metrong lalim na cylindrical pool sa underground hall na nakabaon nang malalim sa isang granite layer ng isang burol. Mula noong Disyembre 2024, ito ay napuno ng ultra-pure water sa rate na 100 tonelada kada oras.
Pinagmulan: Global Times
Ang pool na ito ay naglalaman ng detector, na may 20,000 photomultiplier tubes na 20 pulgada at 25,000 photomultiplier tubes na tatlong pulgada, pati na rin mga cable, magnetic shielding coils, light baffles, at iba pang mga komponent.
Pinoprotektahan ng pool ang detector mula sa interference ng cosmic rays sa pag-detect ng neutrino, pati na rin mula sa natural na radioactivity ng nakapaligid na bato.
Ang liquid injection ay magaganap sa dalawang yugto. Sa unang dalawang buwan, ang ultra-pure water ay magpupuno sa mga espasyo sa loob at labas ng acrylic sphere ng central detector. Sa susunod na anim na buwan, ang ultra-pure water sa loob ng sphere ay papalitan ng liquid scintillator.
Inaasahan na matatapos ang buong proseso ng liquid injection pagsapit ng Agosto 2025, kung saan opisyal na magsisimula ang pasilidad sa operasyon at pangangalap ng data.
Mga Hinaharap na Proyekto ng Neutrino
Ang DUNE, Hyper-K, at JUNO ay mga neutrino project na kasalukuyang ginagawa. Ang iba pa ay nasa yugto pa ng konsepto ngunit maaaring magbukas ng karagdagang pag-unawa sa particle physics.
Isa sa mga ito ay Enhanced NeUtrino BEams mula sa kaon Tagging (ENUBET), isang proyektong Europeo. Susubukan nitong i-detect ang charged lepton na nalilikha sa bawat pagkakataon na may neutrino na nabubuo. Maaari nitong higit pang palalimin ang ating pag-unawa sa hindi pagkakapantay-pantay sa pagitan ng materiya at antimateriya.
Isa pa ay NuTag, na gumagamit ng bagong experimental technique: neutrino tagging. Gagamit ito ng bagong uri ng neutrino beamline. Ang disenyo ay unang iminungkahi noong 1979, ngunit kamakailan lamang nagawang tiisin ng mga silicon detector ang direktang exposure sa hadron source beam.
Konklusyon ng DUNE
Ang DUNE ay isang uri ng scientific megaproject na hindi agad nakikita ang direktang aplikasyon. Sa ganitong paraan, ito ay kahalintulad ng karamihan sa mga unang particle physics at quantum physics na agham noong unang bahagi ng ika-20th siglo.
Gayunpaman, ang maagang pagsisiyasat na ito sa pundamental na aspeto ng ating realidad ay sa huli magbubunga ng mga resulta na kinakailangan para sa pag-unlad tulad ng nuclear power (at bomba), electron microscopy, advanced microchips, satellites, atbp.
Malamang na ang mas malalim na pag-unawa sa mga neutrino ay magkakaroon ng katulad na pangmatagalang resulta sa teknolohikal na pag-unlad, kung saan karamihan sa mga pag-unlad sa mga susunod na dekada ay hindi mahulaan.
Ang mas mahusay na pag-unawa sa mga neutrino at kung paano ito likhain ay maaari ring magkaroon ng hanay ng mga aplikasyon:
- I-transform ang spent fuel mula sa mga nuclear reactor tungo sa mga materyales na may mas mababang radioactivity, o gamitin ang mga neutrino upang subaybayan ang radioactive fuel.
- Gamitin ang mga neutrino upang subaybayan ang mga underwater nuclear submarine, na siyang pokus ng secretive Experimental Neutrino Detector program ng DARPA.
- Suriin ang Earth para sa mga cavities na may potensyal na langis o mineral deposits.
- Komunikasyon gamit ang neutrino, na maaaring maging interstellar communications sa malayong hinaharap.
Kumpanya ng Neutrino
Neutrino Energy
Bagaman mayaman sa potensyal na mga aplikasyon sa hinaharap, ang agham ng neutrino ay tila malayo pa sa regular na paggamit para sa komersyal na aplikasyon. Maaaring nagbabago ito ayon sa isang napaka-ambisyosong German private startup, Neutrino Energy.
Ang kumpanya ay nag-eexplore ng napakabagong konsepto ng neutrinovoltaics, o ang pagbuo ng kuryente mula sa patuloy na daloy ng mga neutrino sa paligid natin. Paano ito gumagana ay sa pamamagitan ng paggamit ng isang layer ng graphene, isang 2D material na gawa sa carbon (sundan ang link para sa kumpletong paliwanag ng 2D material tulad ng graphene o goldene).
Ang metodong ito ay magko-convert ng thermal (Brownian) motion ng mga atom ng graphene tungo sa magagamit na kuryente, na halos gumagawa ng enerhiya mula sa wala. Isang katulad na phenomenon ang nangyayari sa graphene, kung saan ang mga neutrino ay “pinu-push” ang mga atom nuclei, tulad ng sa mga argon atom sa DUNE neutrino detector.
Inanunsyo ng kumpanya ang kanilang nalalapit na unang prototype, na tinatawag na Powercube, na inaasahang magpapakita ng teknolohiya, na binuo sa tulong ng AI.
Ang kumpanya ay nakikipagtulungan din sa Centre for Materials for Electronics Technology (CMET) sa India, na naglalayong “lumikha ng self-charging electric vehicle na pinapagana ng neutrinovoltaic technology”.
Mahirap tukuyin kung gaano kalapit ang konsepto sa anumang komersyalisasyon, dahil tila sa ngayon, ito ay isang konsepto lamang na may kaunting impormasyon tungkol sa potensyal na output ng kapangyarihan o ekonomiya. Ngunit ito ay tiyak na ang pinakamalapit na “kumpanya ng neutrino” sa kasalukuyang merkado.
