Ett stort internationellt team av forskare – inklusive forskare från Kansas State University – vänder sig till små partiklar för att ta itu med stora frågor om mörk materia, svarta hål och universums ursprung.
The Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE, syftar till att svara på dessa frågor genom att upptäcka och studera neutriner. Fredag, 21 juli, markerade konstruktionen banbrytande av Long-Baseline Neutrino Facility, som kommer att hysa DUNE.
Neutrinoanläggningen kommer att skicka partiklar 800 miles genom jorden från Chicago till en milsdjup detektor i South Dakota. Forskare från Kansas State University är involverade i organisationen av projektet och utvecklar experimentets högspänningssystem.
"På nationell nivå, DUNE är det högst prioriterade projektet vid det amerikanska energidepartementets kontor för högenergifysik, sa Tim Bolton, professor i fysik. "Det är viktigt för oss att samarbeta med det internationella vetenskapssamfundet i banbrytande projekt som detta."
Bolton sitter i ledarteamet som organiserar experimentet och Glenn Horton-Smith, professor i fysik, är med och utvecklar experimentets högspänningssystem. Både Bolton och Horton-Smith är experter på experimentell högenergi- och partikelfysik och har varit involverade sedan de tidiga planeringsfaserna av DUNE. Andra involverade universitetsforskare inkluderar Ajib Paudel, doktorand i fysik, Nepal; Heng-ye Liao, postdoktor i fysik; och Electronics Design Laboratory, ledd av ingenjörerna Tim Sobering och Russell Taylor.
"Det här projektet låter oss kartlägga outforskade områden, " sa Horton-Smith. "Vi kan få kunskap inom grundläggande fysik såväl som det tidiga universum."
DUNE är ett stort internationellt samarbete med ca 1, 000 forskare och ingenjörer från 30 länder. DUNEs Long-Baseline Neutrino Facility involverar två amerikanska anläggningar:U.S. Department of Energys Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois kommer att skicka en stråle av neutriner 800 miles genom jorden till Sanford Underground Research Facility i South Dakota.
Under den 10-åriga byggprocessen, arbetare kommer att gräva mer än 800, 000 ton sten för att skapa enorma underjordiska grottor för enorma partikeldetektorer, som gör det möjligt för forskare att studera och förstå neutriner. Neutrinos är de vanligaste materiepartiklarna i universum, men mycket lite är känt om deras roll i universums utveckling. Forskare kommer att studera interaktionerna neutrinos gör med argonatomer för att lära sig mer om dessa svårfångade men ändå rikliga partiklar.
Forskare vid Kansas State University utvecklar högspänningssystemet för detektorn vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Den fyra våningar höga detektorn kommer att vara nästan en mil under jorden och fylld med flytande argon. Universitetsforskarna har designat ett system som säkert hanterar och distribuerar spänningar på mer än 100, 000 volt och skapar ett lika elektriskt fält mellan de två stora elektroderna som utgör detektorn.
Universitetsforskarna har också varit involverade i byggandet av högspänningssystemet, som måste vikas för att passa in i ett litet utrymme och sedan vikas ut samtidigt som de elektriska anslutningarna bibehålls.
"Det är som att bygga ett skepp i en flaska, " sa Horton-Smith. "Det har involverat mycket ingenjörskonst och fysik för att se till att denna design upprätthåller en tillförlitlig anslutning under byggprocessen."
För att förbereda sig för DUNE, forskarna deltar i ett mindre prototyptest som för närvarande monteras på CERN, Europeiska organisationen för kärnkraftsforskning, nära Genève. Universitetsfysikerna har varit involverade i designen, testning, leverans och tillverkning av högspänningssystemet till prototypen. Teamet kommer att analysera prototypdata och göra designförbättringar innan de installerar det riktiga högspänningssystemet vid Long-Baseline Neutrino Facility under de senare byggskedena.
När neutrinoanläggningen är igång, Skruva på, Horton-Smith och de andra universitetsforskarna hoppas att forskarna lär sig mer om förhållandet mellan materia och antimateria. Medan allt är gjort av materia, dess motsatta partner – antimateria – är mycket sällsynt och kan bara skapas av högenergifysik. DUNE-forskningen kan hjälpa till att ta itu med ett stort fysikpussel:Varför är universum gjort av all materia när det kan vara en lika blandning av materia och antimateria?
"Det är ett stort pussel för att förstå hur fysikens regler gäller i mycket stor skala, " sa Bolton. "Detta projekt är en långsiktig investering, men det finns många fördelar när du lär dig mer om de grundläggande sätt som naturen fungerar på."
