W podziemnym laboratorium na terenie Stanów Zjednoczonych trwa budowa nowatorskiego projektu naukowego o nazwie DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Celem przedsięwzięcia jest analiza neutrin – niemal niewidzialnych cząstek elementarnych, które mogą dostarczyć wskazówek na temat istnienia dodatkowych wymiarów przestrzeni. Eksperyment będzie obejmował przesyłanie neutrin na dystansie ponad 1300 kilometrów, z Fermilab w Illinois do detektora w Południowej Dakocie.

Projekt ten nie tylko pozwala na zgłębienie tajemnic neutrin, ale również może zrewolucjonizować nasze rozumienie struktury wszechświata. Przy odpowiednim rozwoju technologii, eksperyment może stworzyć możliwości dla przyszłych badań fundamentalnych pytań fizyki.

 

Neutrina – klucz do nowych odkryć fizycznych

Neutrina, znane jako „cząstki widma”, są jednymi z najtrudniejszych do zaobserwowania cząstek we wszechświecie. Neutrina posiadają masę miliardy razy mniejszą od elektronu i występują w trzech formach, tzw. stanach”zapachowych”: mionowym, elektronowym oraz taonowym. Ich zdolność do zmiany smaków podczas podróży przez przestrzeń – proces określany mianem oscylacji – od dawna fascynuje naukowców.

 

– Eksperyment DUNE wykorzysta te unikalne właściwości neutrin, by zgłębić fundamenty fizyki cząstek. Neutrina wygenerowane w Fermilab będą pokonywać ponad 1300 kilometrów przez wnętrze Ziemi, zanim zostaną zarejestrowane w masywnym detektorze w Południowej Dakocie – tłumaczy prof. Mehedi MasudChung-Ang University, współautor badania. W trakcie tej podróży wiele neutrin zmieni swój smak, co umożliwi naukowcom precyzyjną analizę mechanizmów ich oscylacji.

 

Robotnicy pracujący nad ogromnym detektorem ProtoDUNE w CERN, jednym z dwóch ogromnych poligonów testowych w ramach eksperymentu Deep Underground Neutrino Experiment prowadzonego przez Fermilab.
Detektor ProtoDUNE w CERN – fot. Jim Shultz

Poszukiwanie dodatkowych wymiarów przestrzeni

Najbardziej intrygującym aspektem eksperymentu DUNE jest jego potencjał do odkrycia ukrytych wymiarów przestrzeni. Teoria tzw. dużych dodatkowych wymiarów, zaproponowana w 1998 roku przez Arkani-Hameda, Dimopoulosa i Dvaliego, sugeruje, że nasz trójwymiarowy świat może być częścią bardziej złożonej struktury o czterech lub większej liczbie wymiarów.

– Teoria ta może wyjaśnić, dlaczego grawitacja jest tak niezwykle słaba w porównaniu do innych sił fundamentalnych – dodaje prof. Masud. Co więcej, mogłaby również dostarczyć odpowiedzi na pytanie o pochodzenie niewielkich mas neutrin, które pozostają zagadką dla Modelu Standardowego fizyki cząstek.

Jeśli takie dodatkowe wymiary istnieją, mogłyby one subtelnie wpływać na prawdopodobieństwo oscylacji neutrin, co potencjalnie pozwoliłoby je wykryć za pomocą precyzyjnych pomiarów w eksperymencie DUNE. Autorzy badania sugerują, że takie efekty mogłyby przybrać formę niewielkich oscylacji prawdopodobieństwa przy wyższych energiach neutrin. Tego rodzaju pomiary stanowią kluczowy krok w poszukiwaniu dowodów na istnienie ukrytych struktur wszechświata.

 

Detektory ProtoDUNE wielkości domu zmontowane i przetestowane w europejskim ośrodku CERN – fot. Jim Shultz

Symulacje i przyszłość eksperymentu

Aby zbadać potencjał DUNE do wykrycia ukrytych wymiarów, zespół badaczy przeprowadził zaawansowane symulacje komputerowe, bazując na danych eksperymentalnych. Analizowali oni wpływ pojedynczego dodatkowego wymiaru na oscylacje neutrin w różnych zakresach energii. Wyniki sugerują, że DUNE będzie w stanie zarejestrować oznaki istnienia dodatkowego wymiaru, jeśli jego rozmiar wynosi około połowy mikrona (jedna milionowa metra).

Eksperyment ma rozpocząć działalność około 2030 roku, a pierwsze wyniki pozwalające na szczegółową analizę spodziewane są w ciągu dekady. Naukowcy przewidują, że z czasem połączenie danych z DUNE z wynikami innych badań, takich jak eksperymenty z akceleratorów cząstek czy obserwacje astrofizyczne, pozwoli na jeszcze dokładniejsze określenie właściwości tych hipotetycznych wymiarów.

Przełomowe badania prowadzone w DUNE mogą również poszerzyć naszą wiedzę o wszechświecie w sposób nieosiągalny wcześniej. Połączenie tradycyjnych metod eksperymentalnych z nowoczesnymi technikami symulacyjnymi zwiększa potencjał sukcesu. W miarę jak eksperymenty takie jak DUNE rozwijają się, otwiera się szansa na integrację wyników z różnych dziedzin, co mogłoby znacząco przyspieszyć proces odkrywania nowych praw przyrody.

 

W Fermilab specjalny kriostat ICEBERG został użyty do przetestowania różnych komponentów zastosowanych w projekcie DUNE – fot. Reidar Hahn

Nowe perspektywy dla fizyki

Jeśli teoria dużych dodatkowych wymiarów okaże się prawdziwa, jej konsekwencje mogłyby wykraczać daleko poza samą fizykę neutrin. Eksperyment może również pomóc wyjaśnić fundamentalne zagadki wszechświata, takie jak nierównowaga między materią a antymaterią.

– Oprócz możliwości odkrycia nowych wymiarów, DUNE pozwoli także na bardziej precyzyjne pomiary podstawowych własności neutrin – twierdzi prof. dodaje Masud.

 

Naukowcy testują konfigurację wysokiego napięcia dla DUNE w 35-tonowym detektorze testowym – fot. Reidar Hahn

Dzięki współpracy naukowców z różnych dziedzin, DUNE jest postrzegane jako jedno z najbardziej obiecujących przedsięwzięć naukowych XXI wieku. Przyszłe analizy mogą rzucić nowe światło na podstawowe pytania dotyczące struktury wszechświata, a odkrycia te mogą zrewolucjonizować nasze zrozumienie rzeczywistości. Dzięki długofalowej wizji, projekt DUNE może stać się fundamentem kolejnych wielkich odkryć w fizyce cząstek, zbliżając nas do zrozumienia najgłębszych tajemnic kosmosu.

źródło: livescience.com, dunescience.org