För ett sekel sedan, fysiker visste inte om existensen av neutrinoer, den vanligaste, svårfångade och eteriska subatomära partiklar av materia i universum.

Även om de är rikliga, varje enskild neutrino är nästan masslös. Ändå, "de formar många aspekter av universum som vi känner det, "sa Hirohisa Tanaka, professor i partikelfysik och astrofysik vid Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory.

Det är därför Tanaka och mer än 1, 000 andra forskare från över 30 nationer är engagerade i Deep Underground Neutrino Experiment, eller DUNE, värd av Department of Energy's Fermi National Accelerator Laboratory.

"Miljarder neutrinoer kan passera dig utan att du någonsin inser det, så de är väldigt svåra att få tag på och att studera, "sa Alfons Weber, fysikprofessor vid University of Oxford.

Neutrinoer finns i tre typer som förvandlas från en till en annan:elektron, muon och tau, och alla har en kusin med antimateria. DUNE kommer att använda två partikeldetektorer åtskilda av 800 miles (1, 300 kilometer) för att mäta hur neutrinerna förvandlas, eller svänga, när de reser genom rymden, materia och tid. DUNE nära detektorn, ligger på Fermilab utanför Chicago, kommer att mäta neutrinoerna och hur de interagerar innan de oscillerar. DUNE -fjärrdetektorn, att vara belägen vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota, kommer att observera dem efter svängning.

Projektet är ambitiöst i sin internationella omfattning och vetenskapliga mål. Det kan ge ny inblick i den obalanserade blandningen av materia och antimateria, fenomenet som möjliggjorde bildandet av materia i universum. En sådan viktig upptäckt kommer att kräva att båda detektorerna arbetar tillsammans.

"På grund av svängningar, metoden är att mäta neutrino -strålen på den närmaste platsen och sedan på den bortre platsen och jämföra de två beteendena, "säger Luca Stanco från Italiens nationella institut för kärnfysik, ofta hänvisad till med sin italienska akronym, INFN. "Det är grundläggande att ha kontroll över alla egenskaper hos neutrinostrålen i den närmaste detektorn, varifrån strålen kommer. "

Hirohisa Tanaka, Alfons Weber, Luca Stanco, universitetet i Bern Michele Weber, och Fermilabs Alan Bross och Jennifer Raaf spelar nyckelroller i utvecklingen av de neutrino-snagging-komponenterna i DUNE-detektorn.

Tre subdetektorsystem

Bygga på lärdomar från tidigare experiment, detektordesignerna har blivit mer sofistikerade. DUNE nära detektorn, att installeras cirka 600 meter från där neutrinoerna produceras i Fermilabs acceleratorer, kommer att bestå av tre subdetektorer som sitter sida vid sida.

En av deldetektorerna, känd som SAND, med sina 15, 000 kilometer (9, 320 miles) av scintillatorfibrer och dess 5, 000 fotomultiplikatorer, kommer att upptäcka neutrinoer med en elektronisk kalorimeter, som mäter partikel energi, och en tracker, som registrerar partikelmoment och laddning. En andra subdetektor, baserat på ArgonCube -tekniken som utvecklats vid universitetet i Bern i Schweiz, kommer att använda flytande argon för att efterlikna neutrino -interaktionerna i fjärrdetektorn, och den tredje kommer att använda gasformigt argon. Arbetar tillsammans, de kommer att mäta partiklar med mer precision än vad andra neutrino -detektorer kan uppnå.

"Det är ett mycket komplicerat system, sa Stanco, som leder gruppen som arbetar med SAND.

SAND kommer att sitta direkt i neutrino -strålens väg för att mäta dess stabilitet och sammansättning. De två argonbaserade detektorerna, under tiden, kommer att vara rörlig, kunna sitta antingen direkt i strålens väg eller att vinklas åt ena sidan. De olika betraktningsvinklarna gör att detektorerna kan mäta hur neutrinointeraktioner förändras när partiklarnas energier förändras.

Sub-detektorn för vätska-argon fungerar på samma sätt som DUNE:s mycket större fjärrdetektor:När neutrinoer interagerar med den flytande argonen, interaktionen kommer att skapa laddade partiklar som kommer att detekteras av elektronikkomponenter som förstärker, digitalisera och sedan skicka signaler till en dator där informationen i signalerna kan rekonstrueras.

Flera tidigare generationer av neutrino -experiment har lett till en utveckling av neutrino -detektordesign. När detektorerna för de tidigare experimenten utformades, "Vi hade ingen aning om hur dåligt vi förstod hur neutrinoer interagerar och alla olika effekter som vi behöver studera för att göra en robust mätning, sa Alfons Weber.

Vätska-argondetektorer behöver många kiloton massor för att öka deras chanser att observera neutrino-interaktioner.

"Vi pratar alltid om att neutriner är svårfångade och svåra att upptäcka, "sa Tanaka, vars SLAC-team kommer att tillhandahålla viktiga komponenter i vätske-argon-subdetektorn. "Du ser bara några av dem och bara mycket sällan."

Det motsatta gäller närdetektorn. Där, "Neutrino-strålen vi producerar är så intensiv att vi i vätske-argon-subdetektorn kommer att se ungefär 50 interaktioner inom en miljonedel av en sekund, " han sa.

Utmaningen som skapas är att identifiera enskilda neutrinoer, deras energier och deras typer i en takt som matchar floden av neutrinoer som den närmaste detektorn kommer att se.

För att fånga sådana data, vätske-argon-subdetektorn kommer att bestå av en uppsättning av 35 nästan oberoende fungerande mindre moduler. Varje modul i gruppen kommer att ha en massa på cirka tre ton. När hög spänning appliceras på den flytande argonvolymen, de annars passiva elektronerna i argonatomerna frigörs och börjar röra sig mot en rad detektionselement.

Flytande argon-kylt till det tillståndet från dess gasform-är så tätt att partiklarna med lägst energi slipper detektering. För att fånga de rymda partiklarna, argongas-subdetektorn sitter bredvid sin vätska-argon-motsvarighet. Mycket färre neutrino -interaktioner kommer att hända i argongasen på grund av dess lägre densitet.

"Du kan mäta andra saker i argongas-subdetektorn som du inte kan mäta i vätske-argon-subdetektorn, "Weber sa. Detta inkluderar mätning av effekterna av neutrino -interaktioner på argonkärnor, en process som skapar osäkerhet vid neutrinooscillationsmätningar.

Sök efter nya partiklar

De tre deldetektorer som arbetar i kombination kommer att göra det möjligt för fysiker att leta efter fenomen som går utöver gränserna för kända fysiska lagar. Eftersom Fermilabs huvudinjektorpartikelaccelerator genererar neutrinoer som passerar genom DUNE -detektorn, "andra partiklar kan också produceras, partiklar som vi inte vet någonting om ännu, "Weber sa." Andra partiklar kan också produceras, partiklar som vi inte vet någonting om ännu. "

Tunga neutriner och mörka fotoner faller i denna kategori. Förekomsten av tunga neutriner kan förklara det förvirrande faktum att de kända neutrinoerna har en liten massa, och deras upptäckt kan hjälpa till att förklara den mörka materiens natur. Mörka fotoner skulle vara de osynliga kusinerna till vanliga fotoner, som är elektromagnetiska partiklar. Upptäckten av mörka fotoner - om de finns - kan belysa den expansiva men för närvarande osynliga delen av universums mörka sektor.

Och sedan är det oväntade.

"Jag tror och jag hoppas att vi kommer att ha en överraskning i fysikresultatet, "Sa Stanco.