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Dieses Experiment Schießt Geisterhafte Teilchen Durch Die Erde Und Beantwortet, Warum Es Uns Gibt

Dieses Experiment Schießt Geisterhafte Teilchen Durch Die Erde Und Beantwortet, Warum Es Uns Gibt
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Dieses Experiment schießt gespenstische Teilchen durch die Erde. Antworten, warum wir existieren 1

Das Studium der subatomaren Welt hat unser Verständnis der Gesetze des Universums revolutioniert und der Menschheit beispiellose Einblicke in tiefe Fragen gegeben. Historisch gesehen waren diese Fragen im philosophischen Bereich: Wie ist das Universum entstanden? Warum ist das Universum so, wie es ist? Warum gibt es etwas statt nichts?

Nun, bewegen Sie sich über die Philosophie, denn die Wissenschaft hat einen entscheidenden Schritt beim Bau der Ausrüstung gemacht, die uns helfen wird, Fragen wie diese zu beantworten. Dabei werden geisterhafte Teilchen, Neutrinos genannt, buchstäblich über eine Entfernung von 800 Meilen (fast 1.300 Kilometer) von einem Physiklabor zum anderen durch die Erde geschossen.

Eine internationale Gruppe von Physikern hat  bekannt gegeben,  dass sie die ersten Signale in einem würfelförmigen Detektor namens ProtoDUNE gesehen haben. Dies ist ein sehr großes Sprungbrett für das DUNE-Experiment, das für die nächsten zwei Jahrzehnte Amerikas Flaggschiff-Forschungsprogramm für Teilchenphysik sein wird. ProtoDUNE, das die Größe eines dreistöckigen Hauses hat, ist ein Prototyp der viel größeren Detektoren, die im DUNE-Experiment verwendet werden, und die heutige Ankündigung (18. September) zeigt, dass die ausgewählte Technologie funktioniert.

Die DUNE-Detektoren werden im  Fermi National Accelerator Laboratory  (Fermilab), etwas außerhalb von Chicago, und der  Sanford Underground Research Facility  (SURF) in Lead, South Dakota, aufgestellt. Wenn das Experiment läuft, wird ein  leistungsstarker Teilchenbeschleuniger  am Fermilab einen intensiven Strahl subatomarer Teilchen namens Neutrinos erzeugen, sie buchstäblich durch die Erde schießen, um bei SURF entdeckt zu werden.

Neutrinos  sind die Geister der subatomaren Welt, die fast ohne Wechselwirkungen den gesamten Planeten passieren können. Neutrinos haben Wissenschaftler in der Vergangenheit oft überrascht. Von ihrer beispiellosen Fähigkeit, Materie ohne Wechselwirkung zu passieren, über die Tatsache, dass sie Materie und Antimaterie sehr unterschiedlich behandeln, bis hin zu ihrer Fähigkeit, sich von einer Version in eine andere zu verwandeln, faszinieren Neutrinos weiterhin die wissenschaftliche Gemeinschaft der Welt. Es sind die letzten beiden Eigenschaften, die das DUNE-Experiment untersuchen wird.

Antimaterie  ist etwas, das wie Science-Fiction klingt, aber es ist mit Sicherheit real. Antimaterie ist das Gegenteil von Materie; bringen Materie und Antimaterie zusammen und sie werden zu reiner Energie vernichten. Antimaterie wurde 1928 vorgeschlagen und erstmals 1931 beobachtet. In den dazwischenliegenden Jahrzehnten haben Wissenschaftler (einschließlich mir) sie in quälenden Details untersucht. Meistens ist es verstanden, mit einem sehr ärgerlichen verbleibenden Geheimnis. Wenn wir Energie in Antimaterie umwandeln, erzeugen wir eine identische Menge an Materie. Das ist fundierte Wissenschaft. Das ist nicht das Problem.

Das Problem ist, dass, wenn wir diese Beobachtung mit der Idee des Urknalls kombinieren, etwas nicht zusammenhängt. Immerhin war das Universum kurz nach dem Urknall voller Energie, die sich gleichermaßen in Materie und Antimaterie hätte verwandeln sollen. Doch unser Universum besteht ausschließlich aus Materie. Wo ist diese Antimaterie geblieben ? Diese Frage ist unbeantwortet; aber vielleicht könnte eine sorgfältige Untersuchung von Materie- und Antimaterie-Neutrinos einen Unterschied aufdecken.

Wie andere subatomare Teilchen haben Neutrinos und Antimaterie-Neutrinos, Antineutrinos genannt, eine Größe namens Spin, die eine vorübergehende, wenn auch unvollkommene Ähnlichkeit mit kleinen sich drehenden Kugeln hat. Neutrinos und Antineutrinos drehen sich in entgegengesetzte Richtungen. Wenn Sie einen Neutrinostrahl so schießen, dass er auf Sie zukommt, können Sie die Spinachse der Neutrinos hinunterstarren; Sie würden sehen, wie sie sich im Uhrzeigersinn drehen, während sich Antineutrinos in die entgegengesetzte Richtung drehen. Da die Spins von Neutrinos und Antineutrinos das Gegenteil sind, identifiziert dies einen Unterschied zwischen den beiden. Vielleicht ist dieser Unterschied ein Zeichen dafür, dass das Studium der Materie- und Antimaterie-Analoga von Neutrinos etwas Licht in dieses Mysterium bringen wird.

Es gibt noch eine weitere Eigenschaft von Neutrinos, die sie im Rätsel der fehlenden Antimaterie interessant macht … sie können  sich von einer Identität in eine andere verwandeln . Wissenschaftler haben drei verschiedene  Arten von Neutrinos gefunden . Ein Typ ist mit Elektronen verbunden und heißt Elektron-Neutrino. Die beiden anderen sind mit zwei anderen subatomaren Teilchen verbunden, dem Myon und dem Tau, die schwere Verwandte des Elektrons sind.

Wenn Sie mit einer Reihe von Elektron-Neutrinos beginnen und sich diese etwas später ansehen, werden Sie feststellen, dass es weniger Elektron-Neutrinos als zu Beginn gibt, aber es gibt genug Myon- und Tau-Neutrinos, um das Defizit auszugleichen. Die Neutrinos zerfallen nicht; sie verwandeln sich ineinander.

Es ist, als ob Sie einen Raum voller 100 Hunde hätten, und wenn Sie später hinschauen, waren es 80 Hunde, 17 Katzen und drei Papageien. Wenn Sie noch später nachsehen würden, wäre die Mischung noch eine andere.

Das Morphing, was Wissenschaftler Oszillation nennen, von Neutrinos ist ebenfalls gut etablierte Physik. Forscher haben es seit den 1960er Jahren vermutet; sie waren sich 1998 ziemlich sicher, dass es real war, und sie entschieden sich 2001 für das Argument. Neutrino-Oszillation tritt auf und ihre Entdeckung wurde 2015 mit dem  Nobelpreis für Physik ausgezeichnet .

Das  DUNE-  Experiment hat  mehrere Forschungsziele , aber das vielleicht dringendste besteht darin, zuerst die Schwingung von Neutrinos und dann die Schwingung von Antineutrinos zu messen. Wenn sie unterschiedlich sind, kann es sein, dass ein detaillierteres Verständnis dieses Prozesses uns hilft zu verstehen, warum das Universum ausschließlich aus Materie besteht. Kurz gesagt, es könnte erklären, warum wir überhaupt existieren.

Das  DUNE-  Experiment wird aus zwei Detektorkomplexen bestehen, einem kleineren bei Fermilab und vier größeren bei SURF. Ein Neutrinostrahl wird Fermilab verlassen und auf die entfernten Detektoren zusteuern. An den Detektoren sowohl bei Fermilab als auch bei SURF werden die Anteile verschiedener Neutrinostypen gemessen. Die durch die Neutrino-Oszillation verursachten Unterschiede werden gemessen, und dann wird der Vorgang für Antineutrinos wiederholt.

Die Technologie, die in den DUNE-Experimenten verwendet wird, umfasst große Bottiche mit  flüssigem Argon , in denen die Neutrinos interagieren und nachgewiesen werden. Jeder der größeren Detektoren bei SURF wird so groß und breit wie ein vierstöckiges Gebäude und länger als ein Fußballfeld sein. Jeder davon enthält 17.000 Tonnen flüssiges Argon.

Der ProtoDUNE-Detektor ist ein viel kleinerer Prototyp, der aus nur 800 Tonnen flüssigem Argon besteht. Das Volumen ist groß genug, um ein kleines Haus zu umfassen.

Die Zusammenarbeit der DUNE-Wissenschaftler ist weltweit und zieht Forscher aus der ganzen Welt an. Während  Fermilab  das gastgebende Labor ist, sind auch andere internationale Labore beteiligt. Eine dieser Einrichtungen ist  CERN , das europäische Labor für Teilchenphysik, das sich in der Nähe von Genf in der Schweiz befindet. Der ProtoDUNE-Detektor befindet sich am CERN, was eine lange Beziehung zwischen den Labors weiter festigt – zum Beispiel ist Fermilab seit langem an der Forschung mit Daten beteiligt, die vom CERN Large Hadron Collider aufgezeichnet wurden. DUNE ist die erste Investition des CERN in ein Experiment, das in einem Labor in den USA durchgeführt wird.

Die heutige  Ankündigung  ist groß und beweist, dass die Flüssig-Argon-Technologie, die das Herzstück des DUNE-Experiments bilden wird, eine gute Wahl war. Ein zweiter ProtoDUNE-Detektor wird in einigen Monaten online gehen. Die zweite Version verwendet eine etwas andere Technologie, um die Spuren von Teilchen zu beobachten, die durch seltene Neutrino-Wechselwirkungen verursacht werden. Die Ergebnisse der Tests dieser beiden Detektoren werden die Wissenschaftler zu einer Entscheidung über das endgültige Design der Detektorkomponenten führen.

DUNE wird in den nächsten zehn Jahren gebaut und die ersten Detektormodule sollen 2026 in Betrieb gehen.

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