April 21, 2024

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Fermilabs Dune wird Neutrinos 800 Meilen weit schicken, um Geisterteilchen zu untersuchen

Fermilabs Dune wird Neutrinos 800 Meilen weit schicken, um Geisterteilchen zu untersuchen

Die Neutrinodetektoren von DUNE werden eine Meile unter der Erde in South Dakota installiert.
Matthew Kapost, Sanford Underground Research Facility

  • Neutrinos sind winzige Teilchen, die Geheimnisse zu einigen der größten Geheimnisse des Universums bergen könnten.
  • Das DUNE-Projekt hofft, mehr über diese schwer zu untersuchenden „Geistermoleküle“ zu erfahren.
  • Zu diesem Zweck wird das Projekt Neutrinos etwa 800 Meilen zwischen Illinois und South Dakota schicken.

Vor fast sieben Jahren begannen die Teams damit, 800.000 Tonnen Gestein von einem Standort zu transportieren Ehemalige Goldmine In der Nähe von Lead, South Dakota.

Die so entstandenen drei unterirdischen Kavernen sind 500 Fuß lang und fast lang genug, um ein siebenstöckiges Gebäude aufzunehmen.

Das DUNE-Projekt (Deep Underground Neutrino Experiment) wird voraussichtlich mindestens 3 Milliarden US-Dollar kosten und wird von Wissenschaftlern des US-Energieministeriums geleitet. Fermilab.

Letztendlich wird jede Höhle 17.500 Tonnen flüssiges Argon enthalten, um den Fermilab-Physikern dabei zu helfen, schwer fassbare Teilchen, sogenannte Neutrinos, auch „Geisterteilchen“ genannt, aufzuspüren.

Die Ausgrabungen der Höhle in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota begannen im Jahr 2017.
Sanford Underground Research Facility

Neutrinos sind subatomare Teilchen, die sich überall um Sie herum befinden und unbemerkt durch Sie hindurchgehen. Die Sonne erschafft sie. Supernovae machen sie. Sogar Bananen produzieren Neutrinos.

„Wenn Sie Ihre Hand heben, fliegen jede Sekunde 10 Milliarden Neutrinos von der Sonne durch Ihre Hand“, sagte die Physikerin und DUNE-Sprecherin Mary Pichai gegenüber Business Insider.

Neutrinos werden „Geisterteilchen“ genannt, weil sie keine elektrische Ladung haben und daher selten mit allem interagieren, mit dem sie in Kontakt kommen.

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Dies macht es auch extrem schwierig, sie zu untersuchen, doch Wissenschaftler bestehen darauf, dass Neutrinos der Schlüssel zur Entschlüsselung der Geheimnisse des Universums sein könnten, von dem, was direkt nach dem Urknall geschah, bis zur Beobachtung der Geburt eines Schwarzen Lochs.

Neutrinostrahl zwischen Illinois und South Dakota

Forscher am Fermilab ICEBERG untersuchen die kalte Elektronik, die im DUNE-Projekt verwendet wird.
Reidar Hahn/Fermilab

Es ist schwierig, ein Teilchen zu untersuchen, das keine Strahlung aussendet und leichter als ein Elektron ist. „Neutrino-Wechselwirkungen sind wie Nadeln im Heuhaufen“, sagte Pichai.

Fermilab-Wissenschaftler wollen Neutrinos mit DUNE so detailliert wie nie zuvor untersuchen.

Deshalb wird DUNE über den größten Neutrinodetektor seiner Art verfügen, den es je gab.

Sobald das Experiment abgeschlossen ist, soll es mit einer Reihe von … beginnen. Teilchenbeschleuniger Im Fermilab außerhalb von Chicago, Illinois.

Eine der Höhlen, die die Detektoren für das DUNE-Projekt enthalten werden.
Matthew Kapost, Sanford Underground Research Facility

Die Beschleuniger werden zunächst einen extrem starken Neutrinostrahl durch einen Detektor im Fermilab feuern. Der Strahl wird dann 800 Meilen unter der Erde zu Detektoren in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota wandern.

Unterwegs werden die Neutrinos etwas ziemlich Seltsames tun. Es gibt drei Arten von Neutrinos, und die Teilchen können zwischen ihnen hin und her wechseln, ein Phänomen, das als Oszillation bekannt ist. Ein Fermilab-Wissenschaftler verglich es mit einer Hauskatze Transformation Zu einem Jaguar und dann zu einem Tiger, bevor er in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Die Verfolgung, wie sich Neutrinos über diese langen Distanzen zwischen Illinois und South Dakota verändern, wird Wissenschaftlern helfen, diese Schwingungen besser zu verstehen, indem es ihnen ein umfassenderes Bild verschafft als Fermilabs aktuelles 500-Meilen-NOvA-Experiment zwischen Illinois und Minnesota.

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Der Neutrinostrahl von DUNE wird vom Fermilab über 800 Meilen der Erde zu entfernten Detektoren in der unterirdischen Sanford Research Facility wandern.
Fermilab Dion

Dies alles eine Meile unter der Erde zu tun, schützt die winzigen, oszillierenden Teilchen vor der energiereichen kosmischen Strahlung, die jede Sekunde auf die Erdoberfläche niederprasselt und die Daten stören kann.

Löse die Geheimnisse des Universums

Wissenschaftler hoffen, mit DUNE drei Schlüsselfragen beantworten zu können: Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie, was passiert, wenn ein Stern kollabiert, und zerfallen Protonen?

„Unmittelbar nach dem Urknall entstanden Materie und Antimaterie in etwa gleichen Mengen“, sagte Pichai. Aber heute besteht das Universum nach dem, was Wissenschaftler wissen, fast ausschließlich aus Materie.

„Warum sind wir am Ende bei einem Materieuniversum und nicht bei einem Antimaterieuniversum gelandet?“ Sie hat hinzugefügt.

Der DUNE-Strahl soll sowohl Neutrinos als auch Antineutrinos, die Version von Antimaterie, erzeugen. Die Betrachtung der Schwingungen jeder Art könnte Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, was mit der gesamten Antimaterie passiert ist.

Das Projekt sei auch auf Supernova-Physik ausgerichtet, sagte Beshai.

Die Sanford Research Facility befindet sich unter der Erde in einer ehemaligen Goldmine.
Stephen Kinney, Sanford Underground Research Facility

Im Jahr 1987 beobachteten Astronomen eine helle Supernova-Explosion in einer geringeren Entfernung als jede andere Explosion seit etwa 400 Jahren. Mit den damals verfügbaren Detektoren konnten sie nur etwa ein paar Dutzend Neutrinos nachweisen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass im nächsten Jahrzehnt ein weiterer Stern in der Nähe explodiert, liegt bei 40 Prozent, sagte Pichai, und Fermilab hofft, dass mindestens einer seiner Detektoren in South Dakota rechtzeitig betriebsbereit sein wird.

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Ein Prototyp eines Detektors, Teil des ProtoDUNE-Experiments am CERN.
Maximilian Price/CERN

Ein solch großer Detektor könnte Tausende von Neutrinos einfangen und Einblicke in die Entstehung von Schwarzen Löchern und Neutronensternen geben.

Schließlich haben Wissenschaftler den Zerfall von Protonen noch nicht gesehen, aber die Theorie sagt voraus, dass er passieren wird. Protonen sind kleine, positiv geladene Teilchen, die Teil des Atomkerns sind.

Die Beobachtung des Protonenzerfalls hätte Auswirkungen auf Albert Einsteins Überzeugung, dass eine einzige Theorie alle Kräfte in der Natur vereinen könnte.

Wenn die Protonen zerfallen würden, würde es etwa 10 Milliarden Billionen Billionen Jahre dauern. Pichai sagte jedoch, dass Neutrinodetektoren nach verschiedenen Anzeichen von Protonenzerfall suchen können. „Wir werden eine Chance haben, sie zu sehen, wenn diese großen, einheitlichen Theorien wahr sind.“

Ein ehrgeiziges Projekt

Derzeit gibt es weltweit mehrere Neutrino-Projekte, darunter der Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) und die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN).

Was DUNE einzigartig macht, ist die Verwendung von Argon und der große Abstand zwischen Nah- und Ferndetektor.

Am CERN wurde ein Neutrino-Testdetektor, ProtoDUNE, gebaut. Vier ähnliche Geräte werden im Rahmen des DUNE-Projekts schließlich unter der Erde platziert.
Jim Schultz/Fermilab Dion

Das Projekt war mit einigen Budget- und Terminrückschlägen konfrontiert, American Scientific Gemeldet für 2022. Es soll vier Argondetektoren haben, wird aber mit zwei beginnen.

Pichai sagte, der erste Detektor könnte bis Ende 2028 betriebsbereit sein, der zweite Detektor soll nächstes Jahr folgen. Diese Elemente werden im Falle einer Supernova-Explosion bereit sein, der Strahlteil wird jedoch erst 2031 bereit sein.

Pichai glaubt jedoch, dass das Projekt bereits einen seiner größten Erfolge erzielt hat, nämlich die Zusammenarbeit von rund 1.400 Menschen aus 36 Ländern. „Es ist eine große Wissenschaft“, sagte sie. „Es ist auch eine große internationale Flagge.“