對亞原子世界的研究徹底改變了我們對宇宙定律的理解，讓人類對于深層問題有了前所未有的見解。從歷史上看，這些問題在哲學(xué)領(lǐng)域一直存在：宇宙是如何形成的？宇宙為什么會這樣？為什么這些東西存在。
從兩個相距1300公里物理實驗室之間，追蹤從地球上穿過的叫做中微子的幽靈粒子?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)在構(gòu)建設(shè)備方面邁出了關(guān)鍵的一步，這將有助于我們回答這些問題。
9月18日歐洲核子研究中心和費(fèi)米實驗室宣布深地中微子實驗向前邁出了一大步，他們已經(jīng)通過立方形探測器ProtoDUNE記錄下了第一個粒子軌跡。這個項目也將是未來二十年美國進(jìn)行的旗艦粒子物理研究項目。ProtoDUNE大約有三層樓大小，是深地中微子DUNE實驗中未來將使用的更大探測器的原型，這個宣布意味著科學(xué)家所運(yùn)用的技術(shù)有效
DUNE探測器將位于芝加哥郊外的費(fèi)米國家加速器實驗室和位于南達(dá)科他州的桑福德地下研究中心（簡稱SURF）。當(dāng)實驗啟動并運(yùn)行時，費(fèi)米實驗室的一個強(qiáng)大的粒子加速器將會產(chǎn)生一束被稱為中微子的亞原子粒子束，從地球上穿過，而在SURF研究中心可以被探測到。
中微子是亞原子世界的幽靈，能夠在幾乎沒有任何相互影響的情況下穿過整個地球。中微子過去曾多次讓科學(xué)家感到驚訝。從它們前所未有的穿越物質(zhì)的能力，到他們對物質(zhì)和反物質(zhì)的截然不同的處理方式，以及它們從一個版本進(jìn)化到另一個版本的能力，中微子一直讓整個科學(xué)界為之著迷。
反物質(zhì)聽起來像科幻小說，但它確實是真實的。反物質(zhì)是物質(zhì)的反面; 將物質(zhì)和反物質(zhì)結(jié)合在一起，它們將湮滅成純粹的能量。1928年提出了反物質(zhì)概念，1931年首次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。在這幾十年間，科學(xué)家對其進(jìn)行了極其詳細(xì)的研究。它的大多數(shù)情況被理解了，但還是有著讓人困惑的神秘面紗。
當(dāng)我們將能量轉(zhuǎn)換成反物質(zhì)時，我們會產(chǎn)生相同數(shù)量的物質(zhì)。這是一門公認(rèn)的科學(xué)。這不是問題所在。問題在于，如果我們把這個發(fā)現(xiàn)和大爆炸的想法結(jié)合來看，就會發(fā)現(xiàn)端倪。畢竟在宇宙大爆炸之后不久，宇宙充滿了能量，它應(yīng)該同樣地轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和反物質(zhì)。然而我們的宇宙完全是由物質(zhì)構(gòu)成的。那么反物質(zhì)在哪里呢？這個問題沒有答案; 也許對物質(zhì)和反物質(zhì)中微子的仔細(xì)研究可能會揭示出不同之處。
像其他亞原子粒子一樣，中微子和反物質(zhì)中微子，它們有一個叫做“自旋”的量，雖然不完美，但與小的旋轉(zhuǎn)球有相似之處。中微子和反中微子在相反的方向旋轉(zhuǎn)。如果你發(fā)射中微子束，它就會向你的方向靠近，你可以盯著中微子的自旋軸;你會看到它們以順時針方向旋轉(zhuǎn)，而反中微子則向相反的方向旋轉(zhuǎn)。因為中微子和反中微子的自旋是相反的，這就確定了兩者之間的區(qū)別。也許這種差異意味著研究中微子的物質(zhì)和反物質(zhì)類似物將會為這一謎題提供線索。
中微子的另一個特性使它們在缺失反物質(zhì)的難題中變得有趣，它們可以從一個身份轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種不同類型的中微子。一種與電子有關(guān)，被稱為電子中微子。另外兩個與名稱為muon和tau的亞原子粒子有關(guān)，它們是電子的近親。
如果你從觀察一束電子中微子開始，然后過一會兒再看它們，你會發(fā)現(xiàn)電子中微子比你開始時要少，但是有足夠的μ子和tau中微子來彌補(bǔ)缺失。中微子并沒有衰變;它們相互轉(zhuǎn)換。中微子的變形，科學(xué)家稱之為振蕩，自20世紀(jì)60年代以來，研究人員就一直對此有疑問; 1998年他們很確定這是真的，并且在2001年成功論證。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)獲得了2015年諾貝爾物理學(xué)獎。
DUNE實驗有幾個研究目標(biāo)，但也許最迫切的是要首先測量中微子振蕩，然后是反中微子的振蕩。如果它們不同，那么理解該過程可能會更有助于我們理解為什么宇宙僅由物質(zhì)構(gòu)成。簡而言之，它可以解釋為什么人類存在這種哲學(xué)和物理難題。
DUNE實驗將包括兩個探測器復(fù)合體，一個較小的安裝在費(fèi)米實驗室，四個較大的安裝在SURF研究中心。一束中微子將離開費(fèi)米實驗室，向1300公里外的探測器前進(jìn)。費(fèi)米實驗室和SURF研究中心探測器將對不同類型的中微子的比例進(jìn)行測量。由于中微子振蕩所引起的差異將被測量，然后同樣的過程也將應(yīng)用于反中微子的過程。
未來在DUNE實驗中使用的技術(shù)涉及大量液態(tài)氬，這樣溫度將會達(dá)到零下184攝氏度，液態(tài)氮中的中微子相互作用的過程將被檢測到。位于SURF地下研究中心的四個探測器，每一個都像四層建筑一樣又高又寬。每個探測器中將包含17,000噸液態(tài)氬。相比之下，目前的ProtoDUNE探測器是一個小得多的原型設(shè)備，僅由800噸液態(tài)氬組成。它的體積可以容得下一個小房子。
新發(fā)布的公告表明，DUNE實驗核心采用的液態(tài)氬技術(shù)是一個不錯的選擇。第二臺ProtoDUNE探測器也將在幾個月后上線。第二個版本使用略微不同的技術(shù)，來觀察由稀有中微子相互作用引起的粒子軌跡。這兩個探測器的測試結(jié)果將指導(dǎo)科學(xué)家對探測器組件的最終設(shè)計做出決定。DUNE將在未來十年內(nèi)建成，第一批探地測器模塊計劃于2026年投入使用。
