นิวทริโน อธิบายความรู้การทดลองนิวทริโนและลำแสงของนิวทริโนใต้ดินลึก

นิวทริโน การก่อสร้างสำหรับการทดลองทางฟิสิกส์ ของอนุภาคครั้งยิ่งใหญ่ครั้งต่อไปของอเมริกาเริ่มขึ้นในฤดูร้อนนี้ การทดลองนิวทริโนใต้ดินลึกหรือ DUNE จะศึกษาอนุภาคย่อยของอะตอมที่น่ากลัวอย่างมาก การทดลองใต้พิภพจะนำมาซึ่งการยิงลำแสงนิวทริโนอันทรงพลังผ่านชั้นเนื้อโลก ซึ่งมีความลึกสูงสุด 30 ไมล์ประมาณ 48 กิโลเมตรและอาจไขความลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ของจักรวาลบางส่วนในกระบวนการนี้ การทดลองนี้ได้รับการจัดการ

รวมถึงได้รับทุนสนับสนุนจากความร่วมมือระดับนานาชาติ โดยจะมีระยะทาง 800 ไมล์ประมาณ 1,300 กิโลเมตร โดยเริ่มต้นที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติแฟร์มี ในเมืองปัตตาเวีย รัฐอิลลินอยส์และสิ้นสุดเป็นระยะทางกว่า 1 ไมล์ใต้เหมืองทองคำร้างในเมืองลีด รัฐเซาท์ดาโคตาเมื่อเสร็จสมบูรณ์ DUNE จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งอำนวยความสะดวกนิวทริโนพื้นฐานระยะยาว LBNF ซึ่งเป็นสถานที่ 2 แห่งที่จะเริ่มต้นที่แฟร์มีแล็บ

ในรัฐอิลลินอยส์และสิ้นสุดที่ศูนย์วิจัยใต้ดินแซนฟอร์ด SURF ในเซาท์ดาโคตา ลึกลงไปใต้ดินหิน 800 ไมล์ 1,287 กิโลเมตรไม่มีความสำคัญต่อ นิวทริโน อนุภาคของอะตอมที่แปลกประหลาดเหล่านี้ คือเฟอร์มิออนที่มีมวลต่ำมากและมีประจุเป็นศูนย์ พวกมันเดินทางด้วยความเร็วใกล้เคียงกับแสง เนื่องจากพวกมันเป็นอนุภาคที่มีมวลต่ำที่สุดที่ทราบกันดีว่ามีอยู่ และมีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติน้อยมาก พวกมันท่วมจักรวาลของเราและเดินทางผ่านทุกสิ่งที่ขวางหน้า

ไม่ว่าจะเป็นเราหรือก้อนหินหลายไมล์ นักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่าสิ่งเหล่านี้มีอยู่จริงหากพวกมันน่ากลัวมาก นี่คือที่มาของเครื่องตรวจจับความเย็นขนาดเท่าอาคาร DUNE จะรักษาเครื่องตรวจจับใต้ดินไว้ 2 เครื่อง เครื่องหนึ่งจะอยู่ใกล้แหล่งแฟร์มีแล็บ เรียกว่าเครื่องตรวจจับใกล้ และอีกเครื่องจะอยู่ในโรงงานขนาดใหญ่ที่ SURF เครื่องตรวจจับไกล หลังจากการอัปเกรดเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกของแฟร์มีแล็บ ลำแสงนิวทริโนที่มีความเข้มสูงที่สุดในโลกที่เคยผลิตมา

ซึ่งจะถูกส่งผ่านเครื่องตรวจจับที่อยู่ใกล้ และตัดกับเครื่องตรวจจับที่อยู่ไกล ซึ่งประกอบด้วยถังอาร์กอนเหลวขนาดใหญ่ ที่เย็นด้วยความเย็นถึง 4 ถัง รถถังแต่ละคันจะมีความสูง 6 ชั้นและยาว 1 สนามฟุตบอลและจะบรรจุอาร์กอนเหลวที่ระบายความร้อนด้วยยิ่งยวด 18,739 ตันประมาณ 17,000 เมตริกตัน เกิดอะไรขึ้นกับอาร์กอน นิวทริโนมีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน แต่บางครั้งพวกมันก็โจมตีโดยตรงกับนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ในสสาร

ดังนั้นด้วยการเล็งลำแสงนิวทริโนที่รุนแรงมากไป ที่ถังบรรจุอาร์กอนบริสุทธิ์ขนาดใหญ่ที่เพียงพอ สัดส่วนที่น้อยมากของอนุภาคที่น่ากลัว จะกระทบกับอะตอมของอาร์กอนโดยบังเอิญ เมื่อเกิดการชนกันเครื่องตรวจจับที่มีความไวสูงภายในถังจะสังเกตแสงวาบ จากนั้นจะสามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ได้ แต่เนื่องจากอุปกรณ์ตรวจจับเหล่านี้มีความไวสูง และปฏิสัมพันธ์มีขนาดเล็กมาก โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์ตรวจจับนิวทริโนจะถูกฝังไว้ใต้ดินลึก

เพื่อป้องกันอุปกรณ์จากการรบกวนของรังสีคอสมิกและรังสีอื่นๆ ที่จะสร้างความหายนะหากถูกเปิดเผยบนพื้นผิว การโต้ตอบที่อ่อนแอเหล่านี้สามารถเปิดตาของเราสู่ฟิสิกส์ใหม่ และจะช่วยเพิ่มความเข้าใจของเรา เกี่ยวกับหนึ่งในอนุภาคที่เข้าใจน้อยที่สุดในฟิสิกส์ควอนตัม ทำความรู้จักกับนิวทริโน นักวิทยาศาสตร์ชอบนิวทริโนด้วยเหตุผลหลายประการ ประการหนึ่ง พวกมันเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างเรากับแกนกลางดวงอาทิตย์ของเรา ในระหว่างกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชัน

ซึ่งจะมีการผลิตนิวทริโนและโฟตอนพลังงานสูง โฟตอนจะถูกดูดซับเมื่อพวกมันชนกับพลาสมาสุริยะที่มีความหนาแน่น จากนั้นจึงปล่อยออกมาอีกครั้งด้วยพลังงานที่ต่ำกว่า กระบวนการที่ทำซ้ำตัวเองเป็นเวลาถึง 1 ล้านปีก่อนที่พลังงานจากแกนกลางสุริยะ จะถูกปล่อยออกมาเป็นแสงที่เราเห็นในที่สุด แต่นิวทริโนจะยิงตรงจากแกนกลางของดวงอาทิตย์ ผ่านพลาสมาที่หนาแน่นและมาถึงโลกในเวลาไม่กี่นาที ดังนั้น หากนักฟิสิกส์ต้องการทราบเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมฟิวชัน

ในใจกลางดวงอาทิตย์ของเราในตอนนี้พวกเขา จะหันไปหานิวทริโนจากดวงอาทิตย์ แต่มีการหักมุมอย่างลึกลับเกี่ยวกับนิวทริโนจากแสงอาทิตย์ อย่างที่เราทราบกันดีว่านิวทริโนมีรสชาติ 3 แบบ ได้แก่ อิเล็กตรอนนิวทริโน มิวออนนิวทริโนและเทานิวทริโนรวมถึงอนุภาคของพวกมัน ขณะที่นิวทริโนเดินทางพวกมันแกว่งไปมา ระหว่างแบบทั้ง 3 ราวกับกิ้งก่าจะเปลี่ยนสีตามสีของสิ่งรอบๆตัว ดวงอาทิตย์สามารถสร้างนิวทริโนอิเล็กตรอนในแกนกลางของมันได้เท่านั้น

ดังนั้นเมื่อนักฟิสิกส์ออกเดินทาง เพื่อตรวจจับปรากฏการณ์เล็กๆเหล่านี้ โดยใช้เครื่องตรวจจับที่มีความไวสูงเป็นครั้งแรกในปี 1960 พวกเขาตรวจพบนิวทริโนน้อยกว่าที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้มาก ในผลงานที่ได้รับรางวัลโนเบลในที่สุดนักฟิสิกส์ก็ค้นพบเหตุผล ปรากฏว่านิวทริโนอิเล็กตรอนที่เกิดจากการหลอมรวมของดวงอาทิตย์ จะแกว่งไปมาระหว่างรสชาติของนิวทริโน ซึ่งได้แก่อิเล็กตรอน มิวออนและเอกภาพ

เนื่องจากเครื่องตรวจจับสามารถสังเกตได้ เฉพาะนิวทริโนอิเล็กตรอนเท่านั้น จึงตรวจไม่พบนิวทริโน muon และ tau ไม่มีความบกพร่องผิดปกติของนิวทริโนอิเล็กตรอนจากแสงอาทิตย์ พวกมันเพิ่งเปลี่ยนเมื่อไปถึงเครื่องตรวจจับ ซึ่งนำเรากลับไปที่ DUNE เราต้องการการทดลองที่มีการควบคุมบนโลกเช่น DUNE เพื่อทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของรสชาติเหล่านี้ ในระหว่างการทดลองรสชาติของนิวทริโนที่ผลิตโดยเครื่องเร่งอนุภาคของแฟร์มีแล็บ

ซึ่งจะถูกตรวจวัดทันทีที่ถูกส่งไปยังเหมืองทองคำ แปลงสภาพในเซาท์ดาโคตา นิวทริโนที่ได้รับจาก SURF สามารถนำมาเปรียบเทียบกับนิวทริโนที่ส่งไป และความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับธรรมชาติควอนตัมของนิวทริโนอาจถูกปลอมแปลงขึ้น นักวิทยาศาสตร์จะวัดมวลของนิวทริโนเหล่านี้ได้อย่างแม่นยำ พวกเขาอาจค้นพบนิวทริโนอื่นๆนอกเหนือจากสามรสชาติที่รู้จัก DUNE ไปไกลกว่าการศึกษาการสั่นของนิวทริโน มันสามารถช่วยให้เราเข้าใจความลึกลับ

ซึ่งไม่น้อยไปกว่าคำถามว่าเอกภพของเราดำรงอยู่ได้อย่างไร นี่อาจฟังดูเป็นความไม่แน่ใจทางปรัชญา แต่ข้อเท็จจริงที่ว่าจักรวาลของเราประกอบด้วยสสารเป็นส่วนใหญ่ และไม่ใช่ปฏิสสารเป็นคำถามที่ใหญ่ที่สุด ข้อหนึ่งที่เกิดขึ้นกับวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ในช่วงบิกแบงเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน สสารและปฏิสสารควรถูกสร้างขึ้นในส่วนต่างๆเท่าๆกัน แน่นอนว่าเราทุกคนรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อสสาร และปฏิสสารมาบรรจบกัน มันจะระเบิดหรือทำลายล้าง

ทิ้งอะไรไว้นอกจากพลังงาน ดังนั้น ถ้าบิกแบงสร้างสสารและปฏิสสารในปริมาณเท่าๆกันก็จะไม่มีอะไรเกิดขึ้นที่นี่ ความจริงที่ว่าเราอยู่ที่นี่หมายความว่าเอกภพผลิตสสารมากกว่าปฏิสสารเล็กน้อย ดังนั้น เมื่อการทำลายล้างทั้งหมดเกิดขึ้นที่การกำเนิดของเอกภพ สสารจะถูกกำจัดออกไปและปฏิสสารก็กลายเป็นสิ่งที่หายากมาก ซึ่งหมายความว่ากฎทางกายภาพพื้นฐานบางอย่างถูกหักที่บิกแบง ซึ่งเป็นปริศนาที่นักฟิสิกส์เรียกว่าการละเมิดความสมมาตรของประจุไฟฟ้า

การละเมิดซีพี เครื่องเร่งอนุภาค เช่น เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ สามารถทดสอบได้ว่าเหตุใดธรรมชาติจึงชอบสสารมากกว่าปฏิสสาร และ DUNE จะทำเช่นเดียวกันโดยการทดลองกับนิวทริโน และแอนตินิวทริโนซึ่งเป็นปฏิสสาร ลำแสงนิวทริโนที่โรงงานผลิตของแฟร์มีแล็บ คาดว่าจะเดินเครื่องได้ภายในปี 2569 และการก่อสร้างเครื่องตรวจจับ DUNE ขั้นสุดท้ายคาดว่าจะแล้วเสร็จภายในปี 2570 ความหวังสูงว่าเราอาจเข้าใกล้การค้นพบที่คล้ายฮิกส์อีกครั้ง

บทความอื่นๆที่น่าสนใจ : กองทัพบก อธิบายเกี่ยวกับกรีนเบอเรต์และต้นกำเนิดของกองทัพบกสหรัฐ