Учёные, инженеры и строители проекта LBNF-DUNE завершили выкапывание 800 000 тонн породы из подземного исследовательского комплекса Sanford в Лиде (Южная Дакота). Это важный шаг в многолетнем процессе по созданию самого большого и самого всеобъемлющего проекта по изучению нейтрино.
Почти 100 лет назад физики предположили, что нейтрино существуют, когда определённые взаимодействия между частицами, казалось, «теряют» энергию. В 1956 году учёные обнаружили нейтрино. С тех пор эти субатомные частицы продолжают удивлять учёных.
Одним из самых больших сюрпризов стал тот факт, что нейтрино имеют массу. Для большинства объектов наличие массы является данностью. Но, согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, нейтрино не должны иметь массы. Физики всё ещё пытаются выяснить, чему равна их масса.
Другим большим сюрпризом стало то, что существует три различных типа нейтрино, и частицы «переключаются» между типами по мере своего перемещения. Фактически, это преобразование является одной из главных причин, по которой физики так интересуются ими. Учёные считают, что эта характеристика может содержать ключ к ответу на важный вопрос – почему материя преобладает над антиматерией в нашей Вселенной?
Чтобы изучить, как нейтрино меняют тип по мере своего перемещения, LBNF-DUNE будет отправлять поток нейтрино из Национальной ускорительной лаборатории Fermilab DOE в Иллинойсе в Южную Дакоту. В начале и конце пути частиц детекторы будут измерять типы нейтрино и антинейтрино. Сравнивая скорости изменения типа обеих частиц, учёные могут обнаружить разницу, которая объясняет это древнее несоответствие.
LBNF-DUNE также даст представление о других важных вопросах. Когда некоторые звёзды подходят к концу своего жизненного цикла, они взрываются. Когда это происходит, нейтрино являются первыми частицами, которые испускают сверхновые. Далее в этом процессе звёзды образуют элементы, включая углерод, кислород и железо. Обнаруживая нейтрино от этих событий, LBNF-DUNE может позволить учёным «застать сверхновые в действии».
Детекторы DUNE также предназначены для обнаружения других частиц. Насколько известно, протоны являются единственными частицами, состоящими из других типов частиц, которые не распадаются в природе. Неясно, распадаются ли протоны вообще или это настолько редкое явление, что учёные его не замечали. Если протоны распадаются, то этот процесс может дать ключ к разгадке того, существовала ли когда-либо одна фундаментальная сила или четыре, которые наблюдаются сегодня, существовали со времён Большого взрыва. LBNF/DUNE предназначен потенциального обнаружения этого процесса.
LBNF-DUNE будет использовать массивные детекторы высотой с семиэтажный дом, каждый детектор будет иметь 17 000 тонн жидкого аргона. Такое количество максимизирует вероятность того, что учёные обнаружат как можно больше нейтрино. Дальний детектор — тот, что в Южной Дакоте — будет расположен примерно в миле под землёй. Это расстояние удобное по отношению к Fermilab и блокирует детектор от других космических частиц.
Только выкапывание туннеля заняло три года. Команде пришлось разобрать оборудование, переместить его глубоко под землю, а затем собрать заново. Пока они выкапывали, команда подняла на поверхность 800 000 тонн породы и разместила её на территории, которая раньше была шахтой.
Теперь, когда раскопки завершены, команда LBNF-DUNE переходит к следующим шагам. В настоящее время они устанавливают дальний детектор в подземном исследовательском центре Санфорда. Они ожидают завершения строительства и начала эксплуатации детектора в 2028 году. Затем команда перейдет к установке ближнего детектора в Fermilab.