地下中微子实验将如何进行

美国下一个大粒子物理实验的建设于今年夏天开始。的深度地下中微子实验，或DUNE，将研究一些非常可怕的亚原子粒子。地下实验将需要发射一束强大的中微子穿过地球的地幔，达到最大30英里(48公里)的深度，并可能在这个过程中解开我们宇宙中一些最大的谜团。

这项实验由一个国际合作组织管理和资助，全长800英里(1300公里)，从伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室(费米实验室)开始，到南达科他州铅市一个废弃金矿地下一英里的尽头。完工后，DUNE将成为长基线中微子设施(LBNF)的一部分，这是一个双站点设施，将从伊利诺伊州的费米实验室开始，结束于南达科塔州的桑福德地下研究设施(SURF)。

去更深的地下

800英里(1287公里)的岩石与中微子无关。这些奇怪的亚原子粒子是费米子，质量非常低，而且不带电荷。他们在靠近光的速度(因为它们是已知存在的质量最低的粒子)，与普通物质的相互作用非常弱。它们充斥着我们的宇宙，在它们的路径中穿梭，无论是我们还是数英里的岩石。

如果它们如此可怕，科学家们又怎么知道它们的存在呢?这就是建筑大小的低温探测器发挥作用的地方。DUNE将保持两个地下探测器，一个将在费米实验室源附近(称为“近探测器”)，另一个将驻留在SURF的一个巨大设施中(“远探测器”)。在对费米实验室的设施进行升级后，世界上迄今为止产生的强度最高的中微子束将直接穿过近端探测器，并与远端探测器相交。近端探测器由四个巨大的、低温冷却的液态氩罐组成。它到底有多大呢?每个坦克有六层楼高，一个足球场那么长，能容纳18739吨的燃料。17000吨)的过冷液氩。

氩是怎么回事?好吧,中微子相互作用很弱，但确实如此吗偶尔直接撞击物质中的原子核。因此，如果将一束非常强烈的中微子对准足够大的超纯氩储存罐，那么极少量的幽灵粒子就会碰巧击中氩原子。当碰撞发生时，储罐内的超灵敏探测器会注意到闪光(称为闪烁)，然后就可以研究相互作用了。但由于这些探测器非常敏感，相互作用非常小，中微子探测器通常被深埋在地下，以保护它们免受宇宙射线和其他辐射的干扰，如果它们暴露在地表，会造成严重破坏。

这些微弱的相互作用可以打开我们对新物理学的视野，并将促进我们对量子物理学中最不容易理解的粒子之一的理解。

了解中微子

科学家喜欢中微子有很多原因。这里有一个:它们在我们和太阳核心之间提供了直接的联系。在核聚变过程中，会产生中微子和高能光子。光子在与密集的太阳等离子体碰撞时被吸收，然后以较低的能量重新释放出来(这个过程一直重复到a数百万年在太阳核心的能量最终以我们看到的光的形式释放出来之前)，但是中微子会直接从太阳核心发射，穿过密集的等离子体，到达地球分钟。所以，如果物理学家想知道太阳中心的聚变环境现在，它们会转向太阳中微子。

但是太阳中微子有一个神秘的转折。

据我们所知，中微子有三种“口味”——电子中微子、介子中微子和中微子——以及它们的反粒子。随着中微子的传播，它们会在三种口味之间“振荡”，就像变色龙会根据周围环境的颜色而改变颜色一样。

然而，太阳只能在其核心产生电子中微子，因此，当物理学家在20世纪60年代开始使用第一批超敏感探测器来探测这些微小的幽灵时，他们探测到的中微子远远少于理论预测。在获得诺贝尔奖的工作物理学家终于找到了原因。事实证明，由太阳聚变产生的电子中微子在中微子的味道(电子、介子和tau)之间自然振荡。由于探测器只能观测到电子中微子，因此介子和中微子无法被探测到。太阳电子中微子并没有异常缺乏——它们只是在到达探测器时改变了味道。

这让我们回到DUNE。我们需要在地球上做一个像DUNE这样的受控实验来了解这些味道的变化。在实验过程中，费米实验室的粒子加速器产生的中微子一旦被送到南达科塔的金矿，其味道就会被测量出来。然后可以将在SURF接收到的中微子与发送出去的中微子进行比较，从而对中微子的量子性质有了新的认识。科学家们将精确测量这些中微子的质量。他们甚至可能发现已知三种口味之外的其他中微子。

但是等等，还有更多。更多的

DUNE将会超越中微子振荡的研究。它可以帮助我们理解我们的宇宙是如何存在的．这听起来像是一个哲学上的难题，但我们的宇宙主要是由物质而不是反物质组成的事实是其中之一最大问题笼罩着现代科学。

在大约138亿年前的宇宙大爆炸期间，物质和反物质应该以相等的比例产生。当然，我们都知道当物质和反物质相遇时会发生什么——它爆炸或湮灭，只留下能量。所以，如果大爆炸确实产生了等量的物质和反物质，那么这里就什么都没有了。

我们存在的事实意味着宇宙产生的物质要比反物质多一点，所以当所有的湮灭发生在宇宙诞生时，物质胜出了，反物质变得极其罕见。这意味着一些基本的物理定律在大爆炸时被打破了，物理学家称这个难题为电荷宇称对称的违背——或者是一个CP违反大型强子对撞机(Large Hadron Collider)这样的粒子加速器可以测试大自然为什么更喜欢物质而不是反物质，DUNE也将通过中微子和它们的反物质伙伴——反中微子进行实验。

费米实验室生产设施的中微子束预计将在2026年投入使用，最终的DUNE探测器预计将在2027年完成建设。我们很有希望发现另一种类似希格斯玻色子的粒子。