I fysik, antimateria är helt enkelt "motsatsen" till materia. Antimateriapartiklar har samma massa som sina motsvarigheter men med andra egenskaper vända; till exempel, protoner i materia har en positiv laddning medan antiprotoner är negativa. Antimateria kan tillverkas i ett labb med partikelkollisioner med hög energi, men dessa händelser skapar nästan alltid lika delar av både antimateria och materia och, när två motstående partiklar kommer i kontakt med varandra, båda förstörs i en kraftfull våg av ren energi.

Det som förbryllar fysiker är att nästan allt i universum, människor inklusive, är gjord av materia, inte av lika delar materia och antimateria. Samtidigt som vi letade efter insikter som kunde förklara vad som hindrade universum från att skapa separata materia- och antimateriagalaxer, eller exploderar i intet, forskare hittade några bevis för att svaret kunde gömma sig i mycket vanliga men dåligt förstådda partiklar som kallas neutrinos.

Ett team av forskare under ledning av Christopher Mauger publicerade resultat från den första uppsättningen experiment som kan hjälpa till att besvara dessa och andra frågor inom grundläggande fysik. Som en del av programmet Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAPTAIN), deras resultat, publicerad i Fysiska granskningsbrev , är ett viktigt första steg mot att bygga Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), en experimentell anläggning för neutrinovetenskap och partikelfysikforskning.

Partikelkolliderare, som Large Hadron Collider vid CERN, göra experiment på kvarkar, en typ av elementarpartikel. Dessa experiment hittade några bevis som förklarar materia-antimateriasymmetri, men bara en del av det. Experiment på en annan typ av elementarpartikel, leptoner, antyder att dessa partiklar mer fullständigt skulle kunna förklara denna universella asymmetri. Tidigare forskning om neutriner, en typ av lepton, hittade oväntade mönster i de tre neutrino "smakerna, " resultat som fysiker tror också kan betyda att deras asymmetri kan vara större än förväntat.

Men utmaningen med att studera neutriner är att de sällan interagerar med andra partiklar; en enda neutrino kan passera genom ett ljusår av bly utan att göra någonting. Att hitta dessa sällsynta interaktioner innebär att forskare behöver studera ett stort antal neutriner under långa tidsperioder. Som en extra utmaning, den stadiga strömmen av myoner som produceras av kosmiska strålars interaktioner i den övre atmosfären kan göra det svårt att upptäcka de sällsynta interaktioner som forskare är mer intresserade av att se.

Lösningen? Gå 5, 000 fot under jorden, bygga fyra 10-kilotonsdetektorer fyllda med flytande argon, och avfyra en stråle av neutrinos gjorda i en partikelaccelerator som är 800 miles bort. Detta är det slutliga målet för DUNE, en internationell neutrinoforskningsanläggning som drivs av Fermilab, ett partikelfysik- och acceleratorlaboratorium nära Chicago. Utgrävningar för detektorn, som kommer att installeras vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota, är på gång, och forskare är nu upptagna med experiment innan den första detektorn installeras 2022.

Som den första publikationen som kom från KAPTEN, forskare tog upp en viktig teknisk utmaning:Hur man hanterar mätningar på andra partikelinteraktioner. Till exempel, när en neutrino interagerar med argon, neutrinon plockar upp en laddning och sparkar ut neutroner. En stor del av energin från interaktionen kommer att gå in i neutronen, men beloppet har inte kunnat fastställas. "Vi måste förstå argon-neutroninteraktioner om vi vill göra experimentet som kommer att påverka vår förståelse av materia och antimateriaasymmetri på rätt sätt, säger Mauger.

Han och hans team byggde en 400-kilos prototyp av DUNE-detektorn, känd som Mini-KAPTEN, och samlade in data från en neutronstråle vid Los Alamos National Laboratory. Tidigare Penn postdoc Jorge Chaves, som arbetade som analysledare för denna forskning, säger att huvuddelen av arbetet innebar att rekonstruera signalerna från detektorn till meningsfulla insikter om de egenskaper som de är intresserade av att studera vidare.

Som det första datasetet någonsin om neutroninteraktioner i flytande argon vid energiområdena som kommer att användas i DUNE, Chaves säger att han är uppmuntrad av resultaten hittills, även om de fortfarande behöver få ytterligare data. "Innan, det fanns ingen mätning av detta interaktionstvärsnitt, men nu har vi tillhandahållit faktiska experimentella resultat, " säger han. "Med mer data av samma kvalitet, vi skulle kunna göra en ännu mer exakt mätning."

På kort sikt, CAPTAIN-teamet kommer att fokusera på att förfina metoderna som utvecklats för detta dokument samt på att köra andra experiment innan DUNE börjar samla in data 2026. När projektet officiellt drar igång, forskare hoppas kunna använda denna möjlighet för att svara på frågor från partikelfysikområdet, kärnfysik, och även astrofysik.

Mauger betraktar de pågående ansträngningarna av CAPTAIN och andra projekt som "Fysik FoU, " arbete som kommer att hjälpa forskare att samla in viktiga mätningar och studera fenomen på ett sätt som aldrig gjorts tidigare. De många höga målen för DUNE kommer att ta decennier att slutföra, men Mauger säger att det de försöker uppnå gör ansträngningen värd besväret.

"Neutrinos är så svåra att mäta, typ av gåtfull, och det finns någon form av lockelse i att försöka förstå hur de fungerar. Att studera denna riktigt intressanta partikel som finns runt omkring oss, och ändå är det så svårt att mäta, som kan innehålla nyckeln till att förstå varför vi är här överhuvudtaget, är spännande – och jag får göra det här för att leva, säger Mauger.