深层地下中微子实验（DUNE）：解密宇宙的奥秘

瞥见最难以捉摸的粒子

基础物理学一直依靠理论和实验的结合来推进我们对宇宙的理解。至今，最难回答的问题之一是引力的根本性质以及引导宇宙的力量。人们早就知道，答案很可能存在于一种难以捉摸、几乎不可能研究的粒子中：中微子。

这是这个大型项目的目标 深层地下中微子实验，又名“DUNE”.'  这是一项令人印象深刻的事业，横跨美国多个州，涉及超过 800 英里/1,300 公里的地下实验。

什么是中微子？

中微子是一种电中性粒子，质量极小，长期以来被认为是零。目前，我们完全不知道中微子为什么有质量， 只是它的工作方式似乎与其他粒子不同。

中微子的独特之处在于，它们本质上是“幽灵”粒子，几乎不与其他形式的物质相互作用。这是因为中微子只与宇宙中 2 种基本力中的 4 种相互作用：引力和弱相互作用。

由于弱相互作用的范围很短，引力对低质量中微子的影响很小，中微子通常穿过物质而不发生相互作用或减速。因此，中微子通常以接近光速的速度传播。

中微子是一种基本粒子，无法分解成更小的组成部分，有三种变体：电子中微子、μ 子中微子和 τ 子中微子。更复杂的是，中微子似乎经常在这三种变体之间转换。

也有可能 4^th 也存在，惰性中微子，比其他中微子更难探测。

大多数中微子是由核反应产生的，从恒星的核聚变到地球中心的放射性衰变。

尽管中微子难以捉摸，但人们认为它是宇宙中最丰富的粒子。大约一千个 兆 中微子每秒都会穿过我们的身体。

您可以在专门的网站上了解有关中微子的更多信息“所有关于中微子的事情”由费米实验室创建。

DUNE 的设计

当粒子以光速运动且不与正常物质相互作用时，我们如何探测和研究它？这正是 DUNE 想要回答的问题。

DUNE 将位于伊利诺伊州的美国粒子物理和加速器实验室费米实验室和南达科他州的桑福德地下研究设施（SURF 或桑福德实验室）之间。

来源: DUNE

不同的站点都有各自要完成的专门任务。

费米实验室

质子加速器 质子改进计划-II（PIP-II） 用于费米实验室现场产生中微子流。 PIP-II 是费米实验室先前粒子加速器的升级版。它使用超导射频技术提供强大的质子束，这些质子束以接近光速的速度传播，可以针对各种实验进行定制。

为了提供高效、高功率的加速度，加速结构将被冷却至 2°K（-456°F / -271°C，比绝对零度高 2 度）。

这种冷却是通过一个仍在建造中的巨型仓库大小的冷却装置实现的。

来源: 费米实验室

冷却装置的一部分，即低温冷箱，是由欧洲核子研究中心在欧洲建造的 并于2024年XNUMX月抵达费米实验室。

来源: 费米实验室

费米实验室还将配备一个探测器，用于记录粒子束源附近的粒子相互作用。建造了一座 18 米高（60 英尺）的山丘，以使光束线倾斜到正确的角度，从而将中微子送往南达科他州。粒子束向下瞄准以考虑地球曲率，不会被中间 800 英里的岩石阻挡。

来源: 费米实验室

桑福德地下研究设施 (SURF)

SURF将拥有世界上同类中最大的中微子探测器。它将使用70,000万吨液态氩来捕捉与正常物质相互作用的中微子。

总共将建造 4 个探测器模块，并由大型低温支持系统支撑。

来源: 费米实验室

这个洞穴建在地下很深的地方，深度为 1 英里/1.5 公里，重新利用一个旧的金矿井，深入地下并建造一个巨大的人工地下洞穴。

总共挖掘了约 800,000 万吨岩石，为四个 DUNE 远探测器模块和地下必要的设施腾出空间。这些岩石被倾倒在前采矿区。

来源: 费米实验室

费米实验室质子加速器、探测器和 SURF 中微子探测器共同构成长基线中微子设施 (LBNF)。

DUNE 能实现什么？

很难准确预测粒子物理实验会取得什么成果，毕竟这才是重点。不过，我们可以期待 DUNE 项目在三个不同主题上取得进展。

物质的起源

自从宇宙大爆炸中物质和反物质首次爆发以来，物质就成了宇宙中的主导粒子。目前还不清楚其中的原因，因为人们认为物质和反物质的产生量是相等的。

中微子或许是答案。一些物理学家认为中微子的独特之处在于它们也是自己的反粒子。另一些人认为中微子在不同性质之间的转换可能是重要因素。无论如何，中微子可能已经打破了当今物质主导地位的格局。

或者说，如果事实证明中微子不是造成这一现象的原因，这将意味着物理学家必须重新制定关于宇宙起源的理论。

力量的统一

四种基本力（电磁力、弱核力、强核力和引力）之间的联系仍然不太清楚。

DUNE 可以帮助探测理论上但从未在实验中观察到的现象：质子衰变。

当今物理学家大多依赖粒子物理学的标准模型。这是一个坚实的框架，但它无法解释某些现象并统一不同的力。如果对质子衰变进行测量，我们将了解哪种替代模型可以代替理论上的大统一理论 (GUT)、量子引力、超对称等。

黑洞

恒星坍缩成黑洞时会产生大量中微子。DUNE 出色的中微子探测能力可以帮助我们观察中子星内部发生的情况，并有可能见证黑洞的诞生。

这反过来可以帮助我们更好地理解宇宙和量子尺度上的引力。

DUNE 的员工

DUNE项目涉及30多个国家、1,000多名科学家。

来源: DUNE

概述每位科学家对这一庞大的集体项目的贡献是不可能的。然而，我们可以强调其中几位科学家的参与：

潘塔莱奥·雷蒙迪

来源：沙丘

他是质子改进计划 II 的新项目主管，此前他一生都在粒子加速器领域工作。 欧洲核子研究中心, 芫及 静电放电.

“Pantaleo 加入 PIP-II 正是时候。随着项目完成所有最终设计活动、推进采购阶段并开始详细的集成和调试规划，他在 ESRF 和其他地方领导这些工作的经验将非常宝贵。”

艾伦·罗 – PIP-II 技术集成经理

 卡洛·鲁比亚

他是诺贝尔奖获得者和欧洲核子研究中心前主任，他首次开发了 DUNE 使用的中微子探测方法。

1993 年，在他任职期间，“CERN 同意允许任何人免费使用 Web 协议和代码……不受任何版税或其他限制”。

你可以听他谈论 DUNE 项目和其他中微子研究项目，例如 ICARUS 在这个视频中。

亚历山大·索萨

作为中微子专家，他特别关注惰性中微子和“超标准模型物理学”。

来源：沙丘

“它可能不会对你的日常生活产生影响，但我们正在努力了解我们为什么在这里。中微子似乎是解答这些深奥问题的关键。

“有了这两个探测器模块和有史以来最强大的中微子束，我们可以进行大量科学研究。DUNE 的上线将令人兴奋不已。这将是有史以来最好的中微子实验。”

Phys.org 上的 Alexandre Sousa

成本上涨和时间安排

该项目于2017年开始建设，2019年开始达科他州的首次挖掘工作。2021年开始达科他州主洞穴的首次挖掘工作。

在2024的8月， 原型探测器记录了第一个加速器产生的中微子.

来源: DUNE

然而，这并不是一个简单的过程。例如，必须对矿井进行彻底检修，然后才能开采岩石来建造地下洞穴，这不仅延误了项目，还额外花费了至少 300 亿美元。

费米实验室粒子加速器的升级又花费了 1 亿美元。升级还带来了一起严重事故，一名工人从 23 英尺高的地方摔到混凝土上，导致施工中断半年，直到安全程序得到审查。

总体而言，该项目的初步估计成本为 1.5 亿美元，将于 2035 年完工。现在看来，成本为 3.3 亿美元，最后期限为 2040 年的可能性更大。考虑到所有因素，该项目可能花费美国纳税人高达 5 亿美元。

这导致了 受到媒体和非相关科学家的一些批评.

 “是的，确实有一些传言，但写这些内容的人并不知道自己在说什么。项目初期总是充满着压倒性的乐观情绪，但这种乐观情绪从未被证明是真的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜在经过多年的推迟和成本超支后于 2021 年 XNUMX 月发射，现在它经常在宇宙中取得突破。没有比成功更好的补救措施了。”

DUNE 副项目总监 Ron Ray

然而，即使存在延迟和额外成本，放弃 DUNE 也意味着美国在粒子物理学领域落后于世界其他国家。

竞争加剧

尤其如此，因为另外两个中微子实验大型项目也正在加紧推进。一个在日本，一个在中国。

“任何值得做的事情都涉及竞争。但这不是一场简单的赛马比赛；中微子实验一直需要国际合作。

此外，DUNE 还有其他目标，包括寻找暗物质（构成宇宙大部分的看不见的物质），以及研究遥远恒星灾难性死亡中产生的中微子。

在幕后，DUNE 科学家在完善液氩探测器方面取得了稳步进展，2012 年 DUNE 的设计者冒险尝试这项技术时，它还是一项新兴技术。我查看了所有可能出现不同结果的事项，感觉就像所有的星星都对齐了一样。”

Sam Zeller – 费米实验室物理学家

超级神冈

超级神冈探测器（Hyper-K）是超级神冈探测器的后继者，后者于 1998 年首次发现了中微子在中微子类型之间振荡的有力证据。超级神冈探测器还在证明中微子具有质量方面发挥了重要作用。

与正在考虑构建全新设计的中微子实验的 DUNE 不同，Hyper-K 更像是现有技术的升级。这可能会帮助它更快地取得进展，最早将于 2027 年开始运行。

这可以帮助它对中微子和反中微子之间的不平衡做出初步的粗略估计。

Hyper-K 和 Dune 可能更多的是合作伙伴而非竞争对手因为不同的中微子探测方法在进行相同的测量时会有所帮助。由于技术原因，某些特定测量方法可能对其中一种方法比另一种方法更有效。由于日本和美国都有着悠久的科学合作历史，因此 Hyper-K 和 DUNE 之间很可能更像是一场友好的竞争。

江门地下中微子观测站（JUNO）

在中美大国竞争的背景下，JUNO 很可能被视为 DUNE 的竞争对手。

“江门实验站具有先发优势，在物理方面实验设计独特。作为中国主导的国际合作项目，江门实验站将进一步巩固中国在该领域的领先地位。”

环球时报

该探测器由地下大厅中一个深达 44 米的圆柱形水池组成，深埋在山丘的花岗岩层中。自 2024 年 XNUMX 月起， 它以每小时 100 吨的速度注入超纯水.

来源: 环球时报

该水池内装有探测器，配备了20,000个20英寸光电倍增管和25,000个XNUMX英寸光电倍增管，以及电缆、磁屏蔽线圈、挡光板等部件。

该水池保护探测器免受宇宙射线对中微子探测的干扰，以及周围岩石的天然放射性。

液体注入将分两个阶段进行。在最初两个月内，超纯水将填满中央探测器丙烯酸球体的内部和外部空间。在接下来的六个月内，球体内的超纯水将被液体闪烁体取代。

整个液体注入过程预计将于2025年XNUMX月完成，此后该设施将正式开始运行和数据收集。

环球时报

未来的中微子项目

DUNE、Hyper-K 和 JUNO 是已在建设中的中微子项目。其他项目仍处于概念阶段，但可能会进一步加深对粒子物理学的理解。

其中之一是 来自 kaon 标记的增强型中微子束 (ENUBET)，一个欧洲项目。它将尝试探测每次产生中微子时产生的带电轻子。这可以进一步加深我们对物质和反物质之间不平衡的理解。

另一种是 纽泰克，使用一种新颖的实验技术：中微子标记。这将使用一种新型的中微子光束线。这种设计早在 1979 年就已提出，但直到最近，硅探测器才能够在强子源光束的直接照射下存活下来。

DUNE 结论

DUNE 是那种乍一看似乎没有直接应用价值的科学巨型项目。在这方面，它与 20 世纪早期的大多数早期粒子物理学和量子物理学非常相似^th 世纪。

然而，对现实基本方面的早期探索最终将产生进步所需的成果，如核能（和炸弹）、电子显微镜、先进的微芯片、卫星等。

对中微子的更深入了解可能会对技术进步产生类似的长期影响，而大多数技术进步在未来几十年内的发展都是无法预测的。

更好地理解中微子及其产生方法还可以有一系列的应用：

• 将核反应堆的废燃料转化为放射性较低的材料，或 利用中微子监测放射性燃料.
• 利用中微子监测水下核潜艇， DARPA 秘密实验中微子探测器项目的重点.
• 检查地球上是否存在可能含有石油或矿藏的洞穴.
• 中微子通信，甚至可能在遥远的未来实现星际通信。

中微子公司

中微子能量

尽管中微子科学具有丰富的未来应用潜力，但它似乎还远未用于商业应用。一家雄心勃勃的德国私营创业公司 Neutrino Energy 表示，这种情况可能会改变。

该公司正在探索中微子伏打技术这一非常新颖的概念，即利用我们周围不断流动的中微子来发电。其工作原理是使用一层石墨烯， 由碳制成的二维材料 （点击链接查看有关石墨烯或金烯等二维材料的完整解释）.

这种方法可以将石墨烯原子的热（布朗）运动转化为可用的电能，本质上就是无中生有地产生能量。石墨烯也发生了类似的现象，中微子“推动”原子核，就像 DUNE 中微子探测器中的氩原子一样。

该公司已宣布即将推出其首款原型，称为 Powercube，旨在展示在人工智能的帮助下开发的技术。

该公司还一直与 电子技术材料中心（CMET） 在印度，旨在“打造一款由中微子伏特技术驱动的自充电电动汽车”。

很难说这个概念距离商业化有多近，因为目前看来，它只是一个概念，几乎没有透露潜在的功率输出或经济效益。但这绝对是目前市场上最接近“中微子公司”的。