Mengapa A.S. Bertaruh Semuanya di Partikel yang Paling Membingungkan di Alam Semesta

Mengapa A.S. Bertaruh Semuanya di Partikel yang Paling Membingungkan di Alam Semesta

Hampir 14 miliar tahun yang lalu, sebuah alam semesta muncul dalam ledakan energi tinggi yang tak terduga. Partikel-partikel mulai muncul dari energi itu, seperti halnya antipartikel mereka, yang seperti kembar jahat, sebuah gambar cermin dengan muatan listrik yang berlawanan. Setiap partikel memiliki antipartikel, para ilmuwan percaya, dan mereka akan saling memusnahkan dalam semburan energi. Sebagian besar partikel bertemu ujungnya di tangan antipartikel mereka pada hari-hari awal.

Sebagian besar partikel menemui akhirnya, kataku — tetapi tidak semua. Sejumlah kecil materi bertahan di antimateri, dan itu terkondensasi menjadi galaksi, bintang, planet, dan akhirnya manusia. Beberapa dari mereka bertanya-tanya: Apa yang mungkin berbeda antara materi dan antimateri sehingga masalah itu mendominasi? Atau, singkatnya: Mengapa kita ada di sini?

Saat ini, banyak fisikawan berpikir mereka telah mengidentifikasi plang yang membimbing mereka menuju jawaban pertanyaan itu, berkat perilaku aneh partikel materi paling melimpah di alam semesta, neutrino, kadang-kadang disebut "partikel hantu." Neutrino yang sulit dideteksi tampaknya mengalami proses pembalikan identitas yang aneh, dan jika reaksi ini terjadi secara berbeda antara neutrino dan antineutrino, maka proses ini, yang disebut osilasi neutrino, dapat membantu fisikawan menjelaskan mengapa materi lebih dominan daripada antimateri. Tidak seperti beberapa dekade terakhir dari perburuan partikel yang berhasil, fisika neutrino adalah perjalanan menuju yang tidak diketahui, yang telah dipilih oleh komunitas fisika Amerika Serikat untuk dikerjakan secara penuh. Eksperimen unggulan, $ 2 miliar yang disebut LBNF / DUNE akan memimpin pencarian, dalam mengejar jawaban yang mungkin membutuhkan waktu puluhan tahun atau lebih untuk menemukannya.

"Saya pikir kita melihat perubahan nyata di sini tentang apa itu fisika partikel," kata Joe Lykken, wakil direktur penelitian Fermilab, kepada Gizmodo. “Untuk waktu yang lama, ini adalah tentang memproduksi partikel baru, yang orang memenangkan hadiah Nobel. Itu baik-baik saja, tetapi pada akhirnya, tugas kita sebagai ilmuwan adalah untuk memahami proses dasar alam semesta dan cara kerjanya … Ini bukan tentang menambahkan lebih banyak partikel ke daftar panjang partikel; ini tentang, bagaimana sebenarnya alam semesta beroperasi secara basic untuk menghasilkan apa yang kita lihat hari ini? "

Eksperimen fisika partikel selalu terlihat seperti massa raksasa, berwarna cerah dengan pipa dan kabel yang keluar ke segala arah di dalam gudang seukuran Costco. Tetapi detektor ProtoDUNE di kampus CERN di Jenewa menonjol bagi saya dalam kejujuran mereka; mereka hanyalah sepasang kubus baja merah berlubang, masing-masing seukuran rumah, yang membentang jauh ke tanah dan mengerdilkan para insinyur yang berdiri di atas mereka. Setelah kunjungan saya di 2017, setiap wadah kosong akan diisi 800 ton argon cair.

Neutrino melewati langsung sebagian besar materi tanpa banyak gangguan, sehingga mereka tidak terlihat oleh sebagian besar eksperimen. Detektor pemburu neutrino semuanya beralih pada konsep yang sama: Isi wadah terbesar yang dapat Anda bayangkan dengan media pendeteksi, seperti argon air atau cairan, dan tunggu interaksi neutrino yang langka terjadi. Dalam detektor air, neutrino berinteraksi dengan beberapa molekul air, menghasilkan partikel yang pada gilirannya menghasilkan kilatan kecil cahaya yang terdeteksi saat mereka bergerak lebih cepat daripada kecepatan cahaya yang melewati air. Dalam detektor argon cair, beberapa neutrino akan berinteraksi dengan media inti argon, menjatuhkan partikel yang pada gilirannya menjatuhkan elektron dari atom. Elektron melayang ke arah permukaan bermuatan listrik yang mengandung elemen pendeteksi partikel. Information dan informasi waktu yang dikumpulkan oleh para detektor ini memberi tahu para peneliti dari mana neutrino berasal dan tentang energi serta identitasnya.

Berdiri di atas platform yang menghadap ke ProtoDUNE dengan fisikawan CERN, Stefania Bordoni, saya menyadari bahwa batu-batu besar ini hanyalah sebagian kecil dari detektor jarak jauh DUNE terakhir, yang lebih besar dari dua detektor percobaan. Mereka adalah prototipe untuk memastikan bahwa peralatan produksi akan bekerja dan untuk menguji dua jenis teknologi pendeteksi yang berbeda. Detektor jauh DUNE pada akhirnya akan mengerdilkan ProtoDUNE, dengan 68.000 ton cairan argon dalam empat unit yang dibangun 4.850 kaki di bawah tanah di Sanford Underground Analysis Facility, yang terletak di penambangan logam berharga Homestake di Lead, South Dakota.

Tetapi menurut teori fisika yang paling banyak diterima, itu tidak seharusnya seperti ini.

Fisikawan Wolfgang Pauli pertama kali berteori neutrino pada tahun 1930 sebagai cara untuk menjelaskan energi yang hilang selama proses radioaktif yang disebut peluruhan beta. Ketika sebuah inti atom memancarkan elektron, atom tersebut juga harus mengeluarkan energi dalam bentuk partikel tanpa massa dan tanpa muatan. Dia menyebut mereka neutron. Fisikawan James Chadwick menemukan partikel netral yang jauh lebih berat di dalam inti atom dua tahun kemudian dan menyebut partikelnya neutron juga, sehingga fisikawan Edoardo Amaldi dan Enrico Fermi mulai menyebut partikel yang lebih kecil itu neutrino, menggunakan sufiks Italia -ino yang berarti kecil. Baru pada tahun 1956 fisikawan Frederick Reines dan Clyde Cowan menemukan neutrino dalam reaktor nuklir, di mana mereka mengamati mitra antipartikel neutrino, antineutrino, berinteraksi dengan proton untuk menghasilkan neutron dan mitra antipartikel dari elektron, positron.

Eksperimen terus memperluas pengetahuan neutrino kami. Fisikawan di Brookhaven Nationwide Lab menemukan neutrino yang akan berinteraksi dengan muon (partikel yang lebih berat terkait dengan elektron), yang mereka sebut muon neutrino. Yang lain berteori tentang adanya rasa neutrino yang lebih berat, tau neutrino, yang akhirnya ditemukan pada tahun 2000 di Fermilab di Illinois.

Petunjuk bahwa ada sesuatu yang sangat aneh tentang neutrino mulai muncul pada tahun 1970-an. Fisikawan Raymond Davis Jr. memimpin sebuah eksperimen yang melibatkan tangki 100.000 galon yang diisi dengan bahan kimia pembersih kering perkloretilen, dibangun 4.850 kaki di bawah permukaan di Tambang Homestake untuk melindunginya dari partikel-partikel dari ruang angkasa. Eksperimen mendeteksi neutrino dari Matahari — tetapi hanya sekitar sepertiga dari berapa banyak yang mereka harapkan akan temukan. Pencarian lanjutan berlanjut hingga 1998, ketika percobaan Tremendous-Kamiokande (Tremendous-Ok) di Jepang menemukan bahwa neutrino dari atmosfer dapat terombang-ambing di antara rasa. Pada tahun 2001, Sudbury Neutrino Observatory di Kanada menemukan osilasi neutrino dalam neutrino surya. Agar osilasi neutrino masuk akal, neutrino perlu memiliki massa — bertentangan dengan prediksi Mannequin Standar fisika partikel, teori yang telah meramalkan keberadaan partikel basic lainnya, seperti boson Higgs yang ditemukan pada 2012.

"Fenomena osilasi neutrino, menyiratkan bahwa neutrino memiliki massa, adalah satu-satunya fenomena di luar Mannequin Standar yang terlihat di tempat laboratorium," Chang Kee Jung, profesor fisika dan astronomi terkemuka di Stony Brook College, mengatakan kepada Gizmodo. Fisikawan partikel selalu mencari lubang di Mannequin Standar untuk menjelaskan potongan alam semesta kita yang tidak dapat dijelaskan, seperti materi gelap. Neutrino memiliki massa ketika Mannequin Standar memperkirakan bahwa mereka tidak akan bisa menjadi jalan keluar menuju penyelesaian beberapa misteri ini.

Pada tahun 1999, komunitas fisika neutrino bertemu di lokakarya Nucleon Decay dan Neutrino Detectors generasi tiga hari berikutnya di Stony Brook College, yang dipimpin oleh Jung, sehingga para ahli teori dan eksperimentalis dapat mendiskusikan apa yang akan terjadi selanjutnya. Fisikawan mulai memimpikan detektor yang akan lebih besar dan lebih maju daripada Tremendous-Ok 50.000 ton metrik. Gagasan-gagasan mulai terbentuk pada tahun-tahun berikutnya, ketika fisikawan mulai mempertimbangkan desain detektor argon cair "fase tunggal" yang diusulkan oleh fisikawan Carlo Rubbia, serta desain "fase ganda" lainnya yang diisi dengan argon cair dan fuel yang diusulkan oleh putranya, Andre Rubbia. Beberapa kelompok fisikawan merancang proyek pendeteksian neutrino bawah tanah yang besar di berbagai fasilitas, dan Nationwide Science Basis menyerukan proposal untuk Laboratorium Sains dan Teknik Bawah Tanah Dalam (DUSEL) yang akan mencakup tidak hanya fisika neutrino tetapi juga proyek sains dan teknik ekstrem lainnya. demikian juga. Mereka akhirnya menetap di situs Homestake — tetapi Dewan Sains Nasional yang bertanggung jawab atas kebijakan NSF memutuskan untuk tidak melanjutkan proyek.

Sementara itu, komunitas fisika AS sedang mempertimbangkan untuk membangun eksperimen besar lainnya, Worldwide Linear Collider (ILC). Tetapi pada akhirnya, ILC juga ditolak, meninggalkan kekosongan di mana AS bisa melakukan eksperimen fisika unggulan bernilai miliaran dolar, kata Jung. Pada saat itu, Kantor Kebijakan Sains dan Teknologi Gedung Putih dan Akademi Sains Nasional mulai mengakui pentingnya fisika neutrino dan membangun laboratorium bawah tanah untuk mempelajarinya, menurut sebuah Laporan 2003: "Sebuah laboratorium bawah tanah yang dalam dapat menampung generasi percobaan baru yang akan memajukan pemahaman kita tentang sifat dasar neutrino dan kekuatan yang mengatur partikel elementer, serta menjelaskan sifat materi gelap yang menyatukan alam semesta bersama-sama . Penemuan terbaru tentang neutrino, ide-ide baru dan teknologi, dan kepemimpinan ilmiah yang ada di Amerika Serikat membuat waktu yang matang untuk membangun fasilitas yang sedemikian unik. ”

Tes akselerator PIP-II di Fermilab dekat Batavia, Illinois.

Tes akselerator PIP-II di Fermilab dekat Batavia, Illinois.
Foto: Ryan F. Mandelbaum (Gizmodo)

Menyadari kekosongan yang ditinggalkan oleh ILC dan tanpa DUSEL, Departemen Energi AS memutuskan untuk mengambil program fisika neutrino bawah tanah. Pada 2007, fisikawan mulai mempresentasikan studi berisi berbagai desain untuk Lengthy Baseline Neutrino Experiment, akselerator partikel yang ditingkatkan yang akan mengirim seberkas neutrino melalui sekitar 800 mil dari Bumi sebelum menabrak detektor jauh di bawah tanah. Pada jarak itu, fisikawan berharap bahwa mereka dapat menemukan neutrino ketika mereka bertukar rasa antara meninggalkan akselerator dan tiba di detektor jauh.

Pengaturan eksperimental ini juga akan menyediakan cara untuk mencari pelanggaran simetri cost / parity (CP) – tempat di mana materi bertindak berbeda dari antimateri. Jika muon neutrino yang diproduksi dalam akselerator partikel tiba sebagai neutrino elektron pada detektor jauh pada tingkat yang berbeda dari proses yang sama dalam antineutrino, maka fisikawan neutrino akan dapat memastikan bahwa neutrino berbeda dari antipartikel mereka.

Satu-satunya masalah adalah bahwa fisikawan tidak tahu apakah elektron neutrino benar-benar akan muncul di detektor mereka.

Pada 2012, fisikawan telah membangun beberapa teori yang cukup kuat di sekitar osilasi neutrino, merancang sejumlah parameter yang bersama-sama menggambarkan perilaku berosilasi. Tetapi dari semua angka-angka ini, yang paling terkenal disebut "θ13," atau theta 1-3. Masa depan fisika neutrino berdiri dengan angka ini.

"Jika parameter itu akan menjadi nol, maka hampir tidak akan ada penampilan neutrino elektron," kata Elizabeth Worcester, koordinator fisika untuk DUNE. "Probabilitas untuk muon neutrino berosilasi ke elektron neutrino akan hampir nol, jadi semua percobaan (yang diusulkan) ini sama sekali tidak mencari osilasi neutrino."

Dimulai pada akhir 2011, enam detektor ditempatkan dekat dan jauh dari pembangkit listrik tenaga nuklir Teluk di Shenzhen, Cina menyaksikan menunggu neutrino menghilang. Detektor ini dirancang hanya untuk mengukur neutrino elektron. Itu berarti, jika neutrino terombang-ambing, maka detektor dekat akan mendeteksi lebih banyak neutrino daripada detektor jauh karena neutrino mengubah identitas. Hilangnya ini akan memungkinkan para fisikawan untuk menghitung nilai parameter theta 1-3.

Pada bulan April 2012, tim Daya Bay merilis hasil yang lebih baik dari yang mereka harapkan. Tidak hanya elektron neutrino menghilang, tetapi nilai yang dihitung dari theta 1-Three ternyata sangat tinggi. Itu berarti bahwa fisikawan akan dapat melihat neutrino berosilasi pada jarak 800 mil antara sinar neutrino dari Fermilab dan detektor di Tambang Homestake dan bahwa percobaan seperti itu akan dapat melihat apakah neutrino melanggar simetri CP atau tidak.

"Itu hanya jelas dengan mata, dan orang-orang benar-benar terpesona," kata Worcester.

Eksperimen lain, seperti T2K, sinar partikel yang mengarahkan neutrino ke detektor Tremendous-Ok, mengukur efek kebalikannya: neutrino tiba-tiba muncul di detektor. Komunitas neutrino ditetapkan untuk membangun eksperimen neutrino dari impian mereka. Itu Panel Prioritas Proyek Fisika PartikelDewan penasehat menyoroti pentingnya percobaan neutrino jarak jauh dalam laporan mereka tahun 2014, dan Lengthy Baseline Neutrino Experiment segera berubah menjadi kolaborasi internasional yang berbasis di Fermilab. Kolaborasi itu menjadi Eksperimen Neutrino Bawah Tanah Dalam (DUNE), yang sekarang disebut sebagai LBNF / DUNE (LBNF untuk Fasilitas Lengthy Baseline Neutrino).

Fase pra-penggalian sudah mulai mempersiapkan tambang untuk proyek besar seperti itu. Pada akhirnya, mereka akan menggali seonggok batu seberat lebih dari dua Empire State Constructing, yang mereka perlukan untuk mengangkat sebuah poros dan memasukkan sabuk konveyor untuk membuangnya ke space bekas penambangan. Mereka juga perlu meningkatkan sistem ventilasi dan infrastruktur bekas tambang sehingga setidaknya 144 orang (atau lebih) dapat masuk dalam lab pada saat yang sama, Jaret Heise, direktur penghubung sains di Sanford Underground Analysis Facility di mantan Homestake Punyaku kepada Gizmodo.

Sementara itu di Fermilab, peningkatan akselerator sedang berlangsung. Di sebuah gudang di belakang blok beton, para ilmuwan telah mengerjakan apa yang tampak seperti kereta peralatan fisika — pipa berwarna tembaga dan kabel tak berujung yang mengelilingi komponen-komponen seperti resonator dan magnet yang bertugas mempercepat pulsa proton. Pada akhirnya, karya ini akan berubah menjadi Proton Enchancment Plan II sepanjang 820 kaki, akselerator partikel garis lurus baru yang akan memberi makan proton ke dalam paket akselerator partikel Fermilab yang sudah ada. Pada akhirnya, berkas proton yang kuat akan menyerang goal, menghasilkan partikel yang pada gilirannya menghasilkan neutrino. Neutrino itu akan melakukan perjalanan pertama melalui detektor dekat, yang akan menjadi ciri susunan neutrino dalam sinar dan mengukur bagaimana neutrino berinteraksi dengan materi. Dari sana, neutrino akan melakukan perjalanan ke detektor jauh. Inti dari eksperimen simetri CP adalah membandingkan susunan berkas neutrino di detektor dekat dan detektor jauh untuk neutrino dan antineutrino.

Ketika sains dimulai di fasilitas (dijadwalkan untuk mulai mengambil knowledge pada akhir tahun 2020), fisikawan berharap bahwa LBNF / DUNE akan menjadi eksperimen neutrino utama dan fasilitas fisika energi tinggi perdana di AS, Paul Dabbar, di bawah sekretaris ilmu pengetahuan di Departemen Energi, kepada Gizmodo. Tidak hanya akan membandingkan osilasi antara neutrino dan antineutrino, tetapi juga akan mencoba untuk memecahkan misteri lain yang berkaitan dengan massa neutrino. Tidak hanya ada tiga rasa neutrino, tetapi ada tiga massa juga, yang disebut m1, m2, dan m3, dan tiga massa tersebut tidak berbaris rapi dengan tiga rasa (menyalahkan mekanika kuantum). Para ilmuwan berharap untuk memahami apakah m3 lebih berat atau lebih ringan dari m1 dan m2, yang memiliki implikasi untuk memahami bagaimana partikel berperilaku di alam semesta awal. Selain itu, fisikawan telah berteori jenis baru partikel, yang disebut neutrino tangan kanan, yang akan menawarkan mekanisme untuk memberikan massa neutrino dan mungkin menjadi bagian dari cerita mengapa ada lebih banyak materi daripada antimateri. Plus, sudah ada petunjuk tentang jenis keempat neutrino, yang disebut neutrino steril, muncul di percobaan yang ada. Jika fisikawan beruntung, supernova akan meledak di galaksi kita di beberapa titik abad ini, yang DUNE akan dapat mendeteksi neutrino dari.

Tes akselerator PIP-II di Fermilab dekat Batavia, Illinois.

Tes akselerator PIP-II di Fermilab dekat Batavia, Illinois.
Foto: Ryan F. Mandelbaum (Gizmodo)

Bahkan dengan semua pekerjaan ini, kami tidak akan mendapatkan jawaban yang pasti untuk "mengapa ada lebih banyak masalah daripada antimateri?" Jika DUNE mengukur asimetri CP, setidaknya akan menawarkan kasus yang lebih kuat bahwa para ilmuwan berada di jalur yang benar, Edward Blucher, co-juru bicara dan profesor fisika DUNE di College of Chicago, mengatakan kepada Gizmodo. DUNE diharapkan akan sangat peka terhadap perbedaan antara cara neutrino dan antineutrino berosilasi dan mampu menunjukkan apakah kedua proses itu berbeda atau tidak. Baru-baru ini, kolaborasi T2K merilis pengukuran yang menunjukkan petunjuk bahwa keduanya memang berbeda. Tetapi pada tahun 1967, fisikawan Andrei Sakharov mengusulkan bahwa sebenarnya ada tiga kondisi yang harus dipenuhi untuk menghasilkan perbedaan yang dapat diamati antara jumlah materi dan antimateri, dan pelanggaran CP hanyalah salah satu dari ketiganya. Fisikawan berada di tengah-tengah perburuan untuk proses lain, seperti yang mana beberapa fitur inti proton dan neutrino berubah, seperti dalam kasus peluruhan proton atau neutrino yang memusnahkan dirinya sendiri. Penemuan ini bersama-sama juga harus sesuai dengan mannequin evolusi alam semesta yang benar-benar memprediksi perbedaan kelimpahan yang diamati, profesor fisika Silvia Pascoli di Durham College di Inggris. diberitahu sebelumnya Gizmodo.

Sejauh yang kita tahu, sebenarnya menjawab pertanyaan "mengapa kita ada di sini?" mungkin membutuhkan waktu beberapa dekade atau lebih lama. Dan mungkin tidak mungkin untuk pernah tahu. Mungkin alam semesta tidak pernah ingin menciptakan jumlah materi dan antimateri yang sama sejak awal, tanpa alasan sama sekali.

Tapi itu bagian dari apa yang membuat LBNF / DUNE istimewa; para ilmuwan terjun lebih dulu ke tempat yang tidak diketahui dengan mesin yang dioptimalkan untuk melakukannya. Dan fisikawan LBNF / DUNE menyadari bahwa mereka memainkan permainan panjang yang mungkin tidak berakhir dalam kehidupan mereka.

"Saya pikir pertanyaan besar yang terkait dengan asal usul alam semesta adalah apa yang membuat kita tertarik pada fisika, dan itu penting dan bagian dari bagaimana kita menjelaskan mengapa kita ingin melakukan pengukuran ini," kata Worcester kepada Gizmodo. “Tetapi bagian terbesar dari hari-hari kami adalah, 'kode siswa saya tidak dapat dikompilasi, bagaimana cara memperbaikinya agar berfungsi.'” Pertanyaan besar mendapatkan lebih banyak dana, tetapi usaha ini dipecah menjadi lebih kecil tetapi masih masalah menarik secara ilmiah yang masuk ke membangun bagian dari detektor dan mengembangkan alat untuk menjawab pertanyaan yang lebih kecil untuk chip yang lebih besar.

Ada banyak alasan lain untuk membangun proyek sebesar itu, tentu saja. LBNF / DUNE akan menjadi percobaan internasional yang mendorong kolaborasi fisika di seluruh dunia, seperti yang dilakukan CERN. Ini akan bersaing dengan penerus Tremendous-Ok, Hyper-Kamiokande, untuk menghasilkan dua pengukuran pelanggaran CP yang independen. Dan, seperti semua kegiatan akselerator utama, teknologi non-fisika baru pasti akan datang sebagai efek samping. Kemajuan ini dapat menyebabkan akselerator partikel yang lebih baik digunakan untuk pengobatan kanker, dan rongga frekuensi radio yang digunakan untuk mempercepat partikel mungkin suatu hari nanti berguna untuk komputasi kuantum.

Pada akhirnya, percobaan ini merupakan upaya untuk menyelidiki celah yang belum dijelajahi dalam Mannequin Standar fisika partikel. Boson Higgs menandai berakhirnya sebuah period ketika dua tim di CERN menemukannya pada 2012: itu adalah partikel yang sudah diprediksi oleh hukum fisika yang diketahui, dan sebagian besar fisikawan berharap bahwa itu akan ditemukan.

Tetapi dengan neutrino, tidak jelas bahwa jawaban akan ditemukan jika kita dapat membangun eksperimen yang cukup besar. Tidak peduli apa yang ditemukan oleh fisikawan di LBNF / DUNE, itu akan menjadi hal baru dan dapat membuat mereka semakin dekat untuk menyelesaikan beberapa kasus luar biasa ini yang gagal dijelaskan oleh Mannequin Standar. Sungguh, ilmu neutrino berada di tebing yang tidak diketahui.

. (tagsToTranslate) neutrino (t) Fisika Partikel (t) CERN (t) sains (t) Gizmodo