Konstruktionen för USA:s nästa fysikaliska experiment med stora partiklar började i somras. Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE, kommer att studera några allvarligt spöklika subatomära partiklar. Det underjordiska experimentet kommer att innebära att man skjuter en kraftfull stråle av neutrinoer genom jordens mantel - når ett maximalt djup på 48 kilometer - och kanske låser upp några av vårt universums största mysterier i processen.

Experimentet, förvaltas och finansieras av ett internationellt samarbete, kommer att sträcka sig över 800 miles (1, 300 kilometer), från Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Illinois, och slutar över en mil under jorden under en övergiven guldgruva i Lead, South Dakota. När den är klar, DUNE kommer att bli en del av Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), en anläggning med två platser som börjar vid Fermilab i Illinois och slutar vid Sanford Underground Research Facility (SURF) i South Dakota.

Går djupare under jorden

Åtta hundra mil (1, 287 kilometer) sten har ingen betydelse för neutrinoer. Dessa konstiga subatomära partiklar är fermioner som har mycket låg massa och noll laddning. De färdas nära ljusets hastighet (eftersom de är de lägsta masspartiklar som man vet finns) och interagerar extremt svagt med normal materia. De översvämmar vårt universum och färdas genom allt i deras vägar, oavsett om det är vi eller miles av rock.

Hur vet forskare ens att dessa saker finns om de är så spöklika? Det är här kryogeniska detektorer i byggnad kommer in. DUNE kommer att underhålla två underjordiska detektorer, en kommer att vara nära Fermilab -källan (känd som "nära detektor"), och den andra kommer att bo i en enorm anläggning vid SURF ("fjärrdetektorn"). Efter en uppgradering till Fermilabs anläggningar, världens högsta intensitet neutrino stråle som någonsin producerats kommer att riktas genom den närmaste detektorn och skär med den fjärr detektorn-bestående av fyra massiva, kryogenkylda tankar med flytande argon. Hur massiv? Varje tank kommer att vara sex våningar hög och en fotbollsplan lång, och kommer att innehålla 18, 739 ton (17, 000 ton) superkyld flytande argon.

Vad är det med argon? Väl, neutrinos interagerar svagt, men de gör det mycket sällan slå en direkt träff med atomkärnorna i materia. Så, genom att rikta en mycket intensiv stråle neutrinoer mot tillräckligt stora tankar av ultrarent argon, en mycket liten andel av de spöklika partiklarna kommer, av en ren slump, träffade argonatomerna. När kollisioner inträffar, ultrakänsliga detektorer inuti tankarna kommer att notera en blixt (känd som scintillation) och sedan kan interaktionen studeras. Men eftersom dessa detektorer är så känsliga och interaktionerna är mycket små, neutrinodetektorer är i allmänhet begravda djupt under jorden för att skydda dem mot störningar från kosmiska strålar och annan strålning som skulle orsaka förödelse om de utsattes på ytan.

Dessa svaga interaktioner kan öppna våra ögon för ny fysik och kommer att öka vår förståelse av en av de minst förstådda partiklarna i kvantfysik.

Lär känna Neutrinos

Forskare gillar neutrinoer av många skäl. Här är en:De ger en direkt länk mellan oss och vår solkärna. Under kärnfusionsprocesser, neutriner och högenergifoton produceras. Fotonerna absorberas när de kolliderar med den täta solplasma och sänds sedan ut igen med en lägre energi (en process som upprepar sig i upp till en miljon år innan energin från solkärnan äntligen avges som ljus som vi ser), men neutrinoer kommer att skjuta direkt från solens kärna, genom den täta plasma och nå jorden i en fråga om minuter. Så, om fysiker vill veta om fusionsmiljön i mitten av vår sol just nu , de kommer att vända sig till solneutriner.

Men det finns en mystisk twist till solneutriner.

Så gott vi vet, neutrinoer finns i tre "smaker" - elektronneutrino, muonneutrino och tauneutrino - och deras antipartiklar. När neutrinoer reser, de "pendlar" mellan de tre smakerna, som en kameleont skulle ändra färg som svar på färgen på omgivningen.

Solen kan bara generera elektronneutriner i sin kärna, dock, så när fysiker satte sig för att upptäcka dessa små uppenbarelser med de första ultrakänsliga detektorerna på 1960-talet, de upptäckte mycket färre neutrinoer än teorin förutspådde. I Nobelprisvinnande arbete, fysikerna fann äntligen orsaken. Det visar sig att elektronneutrinerna som produceras av solens sammansmältning naturligt pendlar mellan neutrino -smakerna - elektron, muon och tau. Eftersom detektorerna bara kunde observera elektronneutriner, muon- och tau -neutrinerna blev oupptäckta. Det fanns ingen avvikande brist på solelektronneutriner - de hade helt enkelt bytt smak när de nådde detektorn.

Vilket tar oss tillbaka till DUNE. Vi behöver ett kontrollerat experiment på jorden som DUNE för att förstå dessa smakförändringar. Under experimentet, smaken av neutrinerna som produceras av Fermilabs partikelaccelerator kommer att mätas så snart de skickas till den ombyggda guldgruvan i South Dakota. De mottagna neutrinoerna vid SURF kan sedan jämföras med de som skickades, och en ny förståelse för neutrinos kvantkaraktär kan förfalskas. Forskare kommer exakt att mäta massorna av dessa neutrinoer. De kan till och med avslöja andra neutrinoer bortom de tre kända smakerna.

Men vänta, Det finns mer. Mycket mer

DUNE kommer att gå långt bortom att studera neutrinooscillationer. Det kan hjälpa oss att förstå det inte så små mysterium hur vårt universum existerar . Det här kan låta som ett filosofiskt problem, men det faktum att vårt universum består av mestadels materia och inte antimateria är en av de största frågorna som hänger över modern vetenskap.

Under Big Bang, för 13,8 miljarder år sedan, materia och antimateria borde ha skapats i lika delar. Självklart, vi vet alla vad som händer när materia och antimateria möts - det exploderar, eller förintar, lämnar inget annat än energi. Så, om Big Bang producerade lika delar materia och antimateria, det skulle inte finnas någonting här.

Det faktum att vi ÄR här betyder att universum producerade något mer materia än antimateria, så när all denna förintelse skedde vid universums födelse, materia vann och antimateria blev en extrem sällsynthet. Det betyder att några grundläggande fysiska lagar bröts vid Big Bang, en gåta som fysiker kallar en kränkning av laddningsparitetssymmetri-eller en "CP-kränkning". Partikelacceleratorer som Large Hadron Collider kan testa varför naturen gynnar materia framför antimateria, och DUNE kommer att göra detta, för, genom att experimentera med neutrinoer och deras antimateripartner, antineutrino.

Neutrino -strålen vid Fermilabs produktionsanläggning förväntas vara i drift 2026, och konstruktionen av den slutliga DUNE-detektorn förväntas vara klar år 2027. Förhoppningarna är stora att vi kan vara på gränsen till en annan Higgs-liknande upptäckt.

Om du planerar att producera världens högsta intensitet neutrino stråle någonsin, du kommer att behöva anlita några forskare. DUNE har samlat 1, 000 medarbetare från 30 olika länder. Med de siffrorna, det går med i de riktigt stora experimentens varav flera utförs på Large Hadron Collider.