Wissenschaftler bauen Tunnel unter South Dakota für ein 3-Milliarden-Dollar-Experiment, das einige der größten Rätsel des Universums lösen könnte

• 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 „Geisterpartikel“ zu erfahren.
• Zu diesem Zweck wird das Projekt Neutrinos etwa 800 Meilen zwischen Illinois und South Dakota befördern.

Vor fast sieben Jahren begannen die Teams damit, 800.000 Tonnen Gestein aus einem zu schleppen ehemalige Goldmine in der Nähe von Lead, South Dakota.

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

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

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

Neutrinos sind subatomare Teilchen, die Sie umgeben und unbemerkt direkt durch Sie hindurchgehen. Die Sonne erschafft sie; Supernovae machen sie; Sogar Bananen produzieren Neutrinos.

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

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

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

Ein Neutrinostrahl zwischen Illinois und South Dakota

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

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

Aus diesem Grund wird DUNE über die größten jemals gebauten Neutrinodetektoren ihrer Art verfügen.

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

Die Beschleuniger werden einen extrem starken Neutrinostrahl zunächst durch einen Detektor im Fermilab feuern. Anschließend wandert der Strahl 800 Meilen unter der Erde zu den Detektoren der South Dakota Sanford Underground Research Facility.

Unterwegs werden die Neutrinos etwas 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 transformieren verwandelte sich in einen Jaguar und dann in einen Tiger, bevor er wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrte.

Die Verfolgung, wie sich die Neutrinos über solch große Entfernungen 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.

All dies eine Meile unter der Erde zu tun, schützt die empfindlichen, oszillierenden Teilchen vor energiereicher kosmischer Strahlung, die jede Sekunde die Erdoberfläche erschüttert und die Daten stören könnte.

Die Geheimnisse des Universums lösen

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

„Unmittelbar nach dem Urknall entstand nahezu gleich viel Materie und Antimaterie“, sagte Bishai. 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 Strahl von DUNE ist darauf ausgelegt, sowohl Neutrinos als auch Antineutrinos – die Antimaterie-Version – zu erzeugen. Die Betrachtung der Schwingungen jeder Art kann Wissenschaftlern dabei helfen, herauszufinden, was mit der gesamten Antimaterie passiert ist.

Das Projekt sei auch auf die Supernova-Physik ausgelegt, sagte Bishai.

Im Jahr 1987 beobachteten Astronomen eine helle Supernova, die so nah explodierte wie seit etwa 400 Jahren nicht mehr. Mit den damals installierten Detektoren konnten sie nur etwa ein paar Dutzend Neutrinos nachweisen.

Es besteht eine 40-prozentige Wahrscheinlichkeit, dass im nächsten Jahrzehnt ein weiterer naher Stern explodiert, sagte Bishai, und Fermilab hofft, dass mindestens einer seiner South Dakota-Detektoren rechtzeitig betriebsbereit sein wird.

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 dies der Fall sein sollte. Protonen sind winzige, 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 Protonen tatsächlich zerfallen, würde das ungefähr 10 Milliarden, Billionen, Billionen Jahre dauern. Aber Neutrino-Detektoren können nach unterschiedlichen Signaturen des Protonenzerfalls suchen, sagte Bishai. „Wir hätten eine Chance, sie zu sehen, wenn diese großen, einheitlichen Theorien richtig wären.“

Ein ehrgeiziges Projekt

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

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

Das Projekt hatte einige Budget- und Zeitplanrückschläge, Wissenschaftlicher Amerikaner im Jahr 2022 gemeldet. Es soll vier Argondetektoren haben, wird aber mit zwei beginnen.

Der erste Detektor könnte bis Ende 2028 betriebsbereit sein, sagte Bishai, der zweite Detektor folgt im nächsten Jahr. Diese werden vorhanden sein, falls eine Supernova explodiert, aber der Strahlteil wird erst 2031 fertig sein.

Dennoch glaubt Bishai, dass das Projekt bereits eine seiner größten Errungenschaften erreicht hat, nämlich die Zusammenarbeit von etwa 1.400 Menschen aus 36 Ländern. „Das ist große Wissenschaft“, sagte sie. „Es ist auch große internationale Wissenschaft.“

source site-19