I en övergiven guldgruva nära Deadwood, South Dakota, byggandet har börjat på det som utan tvekan är världens största vetenskapsexperiment. Jag ingår i ett internationellt team på cirka 1, 000 forskare samlade för att designa och driva detta projekt - Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) - för att studera den mest förekommande men svårfångade materialpartikeln i universum.

Genom att göra så, vi kan gå ett steg närmare att förstå materiens ursprung och att slutföra vetenskapens modell för hur universum fungerar. Det är därför som den brittiska regeringen nu har åtagit sig 65 miljoner pund till projektet, vilket gör Storbritannien till den näst största bidragsgivaren till projektet efter USA.

Partikelfysiker som jag fascineras av neutriner på grund av deras ovanliga egenskaper, som kan vara direkt kopplad till fenomen som kan förklara universums struktur. Neutrinos är en av de grundläggande partiklarna som inte kan brytas ner till något annat. De finns överallt men är enormt svåra att fånga eftersom de nästan inte har någon massa, är inte laddade och interagerar sällan med andra partiklar.

Omkring 100 miljarder av dem reser genom våra fingertoppar varannan, men nästan alla går genom jorden utan att lämna några spår. De flesta av dessa neutrinoer kommer från kärnreaktioner som driver solen. Neutrinos kommer också från kosmiska strålar som träffar atmosfären, eller exploderande stjärnor. De producerades också rikligt strax efter universums födelse.

Det betyder att genom att studera neutriner och jämföra dem med sin motsvarighet "antineutrinos", vi kanske kan räkna ut vad som hände i början av universum som innebar att det mestadels skulle vara av materia och inte antimateria. Experiment byggda för att upptäcka neutrinoer kan också hjälpa oss att ta reda på om protoner förfaller, ett viktigt bevis för att bevisa vissa forskares idéer om hur de flesta krafterna i fysiken alla kan förklaras med hjälp av en "grand unified theory".

Att göra detta, DUNE kommer att avfyra strålar av neutrinoer från Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois, USA, längs en 1, 300 km underjordisk bana till Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Som jämförelse, den cirkulära Large Hadron Collider -partikelacceleratorn som används för att hitta Higgs Boson är bara 27 km i omkrets, även om DUNE:s partiklar kommer att resa genom marken snarare än en specialkonstruerad tunnel.

Upptäcker neutrinoerna

Neutrinos finns i tre typer eller "smaker" som de kallas:elektronneutriner, muon-neutrinos, och tau-neutrinos. Neutrinerna som lämnar Fermilab kommer att vara mestadels muonsmak, men de kan förändras eller "svänga" när de reser. Att upptäcka dessa svängningar är det som kommer att ge bestämda svar på frågorna om neutrinoens natur och dess roll i universum.

Neutrinos kan detekteras genom att spela in ljuset, laddning och typ av partikel som de producerar när de kommer i kontakt med vissa vätskor. När varje neutrino kommer, det kommer att skapa en partikel som motsvarar dess smak. En elektronneutrino, till exempel, kommer att producera en elektron medan en muon-neutrino kommer att producera en muon. Om vi ​​kan upptäcka elektroner vet vi att muonneutrinoer ändrade sin smak när de reste.

DUNE kommer att använda fyra stora tankar, var och en innehåller 10, 000 ton flytande argon som hålls vid en temperatur på -186 ℃, att upptäcka neutrinerna med mycket större precision än tidigare experiment som var mindre eller använda tankar fulla av vatten. Experimentet måste äga rum cirka en mil under jorden för att skydda detektorerna från att bli överväldigade av falska neutrinosignaler från den kosmiska strålningen som bombarderar jorden.

Den enorma känsligheten som skapas genom att använda denna metod kommer också att hjälpa till att upptäcka neutrino -utbrott från rymden. Till exempel, 1987 resulterade en närliggande exploderande stjärna (supernova) i att alla neutrinodetektorer i världen registrerade totalt 25 neutrinohändelser. DUNE skulle kunna observera tusentals neutrinospridningar inom en period av cirka tio sekunder för en liknande supernova. Att analysera sammansättningen och tidsstrukturen för en sådan neutrino -puls skulle revolutionera vår förståelse av supernovor och neutrinoegenskaper.

Löser mysteriet om antimateria

Allt detta borde hjälpa oss att svara på flera viktiga frågor om neutrinoer, till exempel om deras massa. Neutrinos är så små att deras massa förmodligen inte skapas av Higgs Boson, nyligen upptäckt av Large Hadron Collider, på samma sätt som de flesta andra elementära partiklar. Istället, deras massa kan komma från mycket tunga partnerneutriner som förfaller mycket snabbt efter bildandet.

Dessa partnerneutriner skulle ha spelat en nyckelroll i universums tidiga utveckling och kan också hjälpa till att förklara varför det finns så mycket mer materia än antimateria i universum. DUNE hjälper oss också att räkna ut om neutrinoer och deras antimaterielekvivalenter, anti-neutrinoer, bete sig identiskt, ge ytterligare bevis för materiens dominans.

Eftersom de stora mängderna argon i detektorn innehåller många protoner, DUNE är också ett idealiskt experiment för att söka efter protonförfall. Under vår nuvarande "standardmodell" av fysik som beskriver alla grundläggande partiklar, det är omöjligt för protoner att förfalla. Men många av de stora enade teorierna forskare håller på att sätta ihop för att förklara alla krafter i universum (utom gravitationen) förutspår att protoner förfaller, bara väldigt långsamt.

Än så länge har vi inga bevis för protonförfall men, om det inträffar, då borde DUNE kunna detektera och lokalisera det i det flytande argonet med millimeter precision. Detta kan hjälpa till att bevisa om någon av de stora enhetliga teorierna stämmer, och igen kan ge fler ledtrådar om materiens dominans över antimateria.

Den nya finansieringen, tillsammans med forskarnas samlade insatser från hela världen, kommer att sätta oss på rätt spår för att spela in de första händelserna i DUNE 2024. Det betyder att vi inom det närmaste decenniet kunde ha löst några av universums största mysterier.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.