5月 29, 2024

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フェルミ研究所の砂丘はゴースト粒子を研究するためにニュートリノを1,300マイル離れたところに送信する

フェルミ研究所の砂丘はゴースト粒子を研究するためにニュートリノを1,300マイル離れたところに送信する

DUNE のニュートリノ検出器はサウスダコタ州の地下 1 マイルに設置されます。
マシュー・カポスト、サンフォード地下研究施設

  • ニュートリノは、宇宙の最大の謎の秘密を握る可能性のある小さな粒子です。
  • DUNE プロジェクトは、これらの研究が難しい「ゴースト分子」についてさらに詳しく知りたいと考えています。
  • これを行うために、このプロジェクトはイリノイ州とサウスダコタ州の間の約 1300 マイルにニュートリノを送信します。

ほぼ 7 年前、作業員は 1 つの現場から 80 万トンの岩石の移動を開始しました。 かつての金鉱山 サウスダコタ州リード近郊。

結果としてできた 3 つの地下洞窟は長さ 500 フィートで、7 階建ての建物を収容するのにほぼ十分な長さです。

DUNE (深部地下ニュートリノ実験) プロジェクトは少なくとも 30 億ドルの費用がかかると予想されており、米国エネルギー省の科学者が主導しています。 フェルミ研究所

最終的に、各洞窟には 17,500 トンの液体アルゴンが収容され、フェルミ研究所の物理学者が「ゴースト粒子」としても知られるニュートリノとして知られるとらえどころのない粒子を検出できるようになります。

サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設での洞窟の発掘は2017年に始まった。
サンフォード地下研究施設

ニュートリノは素粒子であり、あなたの周りに存在し、気づかれずにあなたを通り抜けます。 太陽がそれらを作り出します。 超新星がそれを作ります。 バナナでもニュートリノが発生します。

「あなたが手を上げると、毎秒100億個の太陽からのニュートリノがあなたの手を通過します」と物理学者でDUNEの広報担当者であるメアリー・ピチャイ氏はBusiness Insiderに語った。

ニュートリノは電荷を持たないため、接触したものとほとんど相互作用しないため、ゴースト粒子と呼ばれています。

このため、ニュートリノの研究は非常に困難ですが、ビッグバン直後に何が起こったかからブラックホールの誕生の観察に至るまで、ニュートリノは宇宙の秘密を解き明かす鍵を握っている可能性があるため、科学者たちは主張しています。

イリノイ州とサウスダコタ州の間のニュートリノビーム

Fermilab ICEBERG の研究者は、DUNE プロジェクトで使用される低温エレクトロニクスを研究しています。
レイダー・ハーン/フェルミ研究所

放射線を出さず、電子より軽い粒子を研究するのは困難です。 「ニュートリノの相互作用は干し草の山の中の針のようなものです」とピチャイ氏は言う。

フェルミ研究所の科学者たちは、DUNE を使用して、これまでにないほど詳細にニュートリノを研究したいと考えています。

そのため、DUNE にはこの種の史上最大のニュートリノ検出器が設置されることになります。

完了したら、実験は一連のことから始まるように設計されています… 粒子加速器 イリノイ州シカゴ郊外のフェルミ研究所にて。

DUNE プロジェクトの探知機が設置される洞窟の 1 つ。
マシュー・カポスト、サンフォード地下研究施設

加速器はまず、フェルミ研究所の検出器を通して非常に強力なニュートリノビームを発射します。 その後、ビームは地下800マイルを進み、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設の検出器に到達する。

その途中で、ニュートリノはかなり奇妙なことをします。 ニュートリノには 3 種類あり、粒子はニュートリノ間を行き来することができ、これは振動として知られる現象です。 フェルミ研究所の科学者はそれを飼い猫に例えた 変換 ジャガーへ、そしてトラへ、そして元の姿に戻る。

イリノイ州とサウスダコタ州の間のこの長距離でニュートリノがどのように変化するかを追跡することは、フェルミ研究所によるイリノイ州とミネソタ州間の500マイルのNOvA実験よりも完全な全体像を与えることで、科学者がこれらの振動をより深く理解するのに役立つだろう。

DUNE のニュートリノ ビームは、フェルミ研究所から地球の 800 マイルを越えて、地下のサンフォード研究施設にある遠隔検出器まで到達します。
フェルミ研究所ディオン

これらすべてを地下1マイルで行うことで、毎秒地球の表面に降り注ぎ、データに干渉する可能性がある高エネルギーの宇宙線から、振動する小さな粒子を保護します。

宇宙の秘密を解き明かす

科学者たちは、DUNE で 3 つの重要な質問に答えたいと考えています。それは、なぜ宇宙は反物質ではなく物質でできているのか、星が崩壊すると何が起こるのか、そして陽子は崩壊するのかということです。

「ビッグバンの直後、物質と反物質はほぼ同量生成された」とピチャイ氏は語った。 しかし今日、科学者が知る限り、宇宙はほぼ完全に物質で構成されています。

「なぜ私たちは反物質宇宙ではなく物質宇宙に行き着いたのでしょうか?」 彼女は付け加えた。

DUNE ビームは、ニュートリノと反物質のバージョンである反ニュートリノの両方を生成するように設計されています。 それぞれのタイプの振動を観察することは、科学者がすべての反物質に何が起こったのかを解明するのに役立つかもしれません。

ベシャイ氏によると、このプロジェクトは超新星物理学にも応用される予定だという。

サンフォード研究施設は、かつての金鉱山の地下にあります。
スティーブン・キニー、サンフォード地下研究施設

1987 年、天文学者は、約 400 年間で最も近い距離で明るい超新星爆発を目撃しました。 当時利用可能な検出器では、数十個のニュートリノしか検出できませんでした。

ピチャイ氏によると、今後10年以内に近くの別の星が爆発する確率は40%で、フェルミ研究所はサウスダコタ州にある検出器の少なくとも1台が間に合うように稼働することを望んでいるという。

CERN の ProtoDUNE 実験の一部であるプロトタイプ検出器。
マクシミリアン・プライス/CERN

このような大型の検出器は、数千個のニュートリノを捕捉し、ブラックホールや中性子星がどのように形成されるのかについての洞察を与える可能性がある。

最後に、科学者たちは陽子の崩壊をまだ観察していませんが、理論ではそれが起こると予測しています。 陽子は、原子核の一部であり、正に荷電した小さな粒子です。

陽子崩壊の観察は、単一の理論で自然界のすべての力を統合できるというアルバート・アインシュタインの信念に影響を与えるでしょう。

陽子が崩壊した場合、約100億年かかります。 しかしピチャイ氏は、ニュートリノ検出器は陽子崩壊のさまざまな兆候を探すことができると述べた。 「もしこれらの大統一理論が真実なら、我々は彼らに会うチャンスがあるだろう。」

野心的なプロジェクト

現在、大強度陽子加速器研究施設 (J-PARC) や欧州原子核研究機構 (CERN) など、世界中でいくつかのニュートリノ プロジェクトが進行しています。

DUNE をユニークなものにしているのは、アルゴンの使用と、近距離検出器と遠距離検出器の間の距離が長いことです。

ニュートリノ試験検出器 ProtoDUNE が CERN で構築されました。 同様の装置 4 台が、最終的には DUNE プロジェクトの一環として地下に設置される予定です。
ジム・シュルツ/フェルミラボ・ディオン

このプロジェクトは予算とスケジュールの面で多少の困難に直面しましたが、 アメリカン・サイエンティフィック 2022 年に報告されます。アルゴン検出器は 4 つ搭載されるはずですが、最初は 2 つから開始されます。

ピチャイ氏は、最初の検出器は2028年末までに稼働し、来年には2番目の検出器が稼働する可能性があると述べた。 これらの要素は超新星爆発の際に準備が整いますが、ビーム部分は 2031 年まで完成しません。

しかし、ピチャイ氏は、このプロジェクトはすでに最大の成果の一つである、36カ国の約1,400人の協力によって達成されたと信じている。 「これは大きな科学です」と彼女は言いました。 「それは大きな国際旗でもあります。」

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