對(duì)亞原子世界的研究徹底改變了我們對(duì)宇宙定律的理解，讓人類(lèi)對(duì)于深層問(wèn)題有了前所未有的見(jiàn)解。從歷史上看，這些問(wèn)題在哲學(xué)領(lǐng)域一直存在：宇宙是如何形成的？宇宙為什么會(huì)這樣？為什么這些東西存在。
從兩個(gè)相距1300公里物理實(shí)驗(yàn)室之間，追蹤從地球上穿過(guò)的叫做中微子的幽靈粒子?，F(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)在構(gòu)建設(shè)備方面邁出了關(guān)鍵的一步，這將有助于我們回答這些問(wèn)題。
9月18日歐洲核子研究中心和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布深地中微子實(shí)驗(yàn)向前邁出了一大步，他們已經(jīng)通過(guò)立方形探測(cè)器ProtoDUNE記錄下了第一個(gè)粒子軌跡。這個(gè)項(xiàng)目也將是未來(lái)二十年美國(guó)進(jìn)行的旗艦粒子物理研究項(xiàng)目。ProtoDUNE大約有三層樓大小，是深地中微子DUNE實(shí)驗(yàn)中未來(lái)將使用的更大探測(cè)器的原型，這個(gè)宣布意味著科學(xué)家所運(yùn)用的技術(shù)有效
DUNE探測(cè)器將位于芝加哥郊外的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和位于南達(dá)科他州的桑福德地下研究中心（簡(jiǎn)稱(chēng)SURF）。當(dāng)實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)并運(yùn)行時(shí)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)強(qiáng)大的粒子加速器將會(huì)產(chǎn)生一束被稱(chēng)為中微子的亞原子粒子束，從地球上穿過(guò)，而在SURF研究中心可以被探測(cè)到。
中微子是亞原子世界的幽靈，能夠在幾乎沒(méi)有任何相互影響的情況下穿過(guò)整個(gè)地球。中微子過(guò)去曾多次讓科學(xué)家感到驚訝。從它們前所未有的穿越物質(zhì)的能力，到他們對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)的截然不同的處理方式，以及它們從一個(gè)版本進(jìn)化到另一個(gè)版本的能力，中微子一直讓整個(gè)科學(xué)界為之著迷。
反物質(zhì)聽(tīng)起來(lái)像科幻小說(shuō)，但它確實(shí)是真實(shí)的。反物質(zhì)是物質(zhì)的反面; 將物質(zhì)和反物質(zhì)結(jié)合在一起，它們將湮滅成純粹的能量。1928年提出了反物質(zhì)概念，1931年首次發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)。在這幾十年間，科學(xué)家對(duì)其進(jìn)行了極其詳細(xì)的研究。它的大多數(shù)情況被理解了，但還是有著讓人困惑的神秘面紗。
當(dāng)我們將能量轉(zhuǎn)換成反物質(zhì)時(shí)，我們會(huì)產(chǎn)生相同數(shù)量的物質(zhì)。這是一門(mén)公認(rèn)的科學(xué)。這不是問(wèn)題所在。問(wèn)題在于，如果我們把這個(gè)發(fā)現(xiàn)和大爆炸的想法結(jié)合來(lái)看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)端倪。畢竟在宇宙大爆炸之后不久，宇宙充滿(mǎn)了能量，它應(yīng)該同樣地轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和反物質(zhì)。然而我們的宇宙完全是由物質(zhì)構(gòu)成的。那么反物質(zhì)在哪里呢？這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有答案; 也許對(duì)物質(zhì)和反物質(zhì)中微子的仔細(xì)研究可能會(huì)揭示出不同之處。
像其他亞原子粒子一樣，中微子和反物質(zhì)中微子，它們有一個(gè)叫做“自旋”的量，雖然不完美，但與小的旋轉(zhuǎn)球有相似之處。中微子和反中微子在相反的方向旋轉(zhuǎn)。如果你發(fā)射中微子束，它就會(huì)向你的方向靠近，你可以盯著中微子的自旋軸;你會(huì)看到它們以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，而反中微子則向相反的方向旋轉(zhuǎn)。因?yàn)橹形⒆雍头粗形⒆拥淖孕窍喾吹模@就確定了兩者之間的區(qū)別。也許這種差異意味著研究中微子的物質(zhì)和反物質(zhì)類(lèi)似物將會(huì)為這一謎題提供線(xiàn)索。
中微子的另一個(gè)特性使它們?cè)谌笔Х次镔|(zhì)的難題中變得有趣，它們可以從一個(gè)身份轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)。科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三種不同類(lèi)型的中微子。一種與電子有關(guān)，被稱(chēng)為電子中微子。另外兩個(gè)與名稱(chēng)為muon和tau的亞原子粒子有關(guān)，它們是電子的近親。
如果你從觀察一束電子中微子開(kāi)始，然后過(guò)一會(huì)兒再看它們，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電子中微子比你開(kāi)始時(shí)要少，但是有足夠的μ子和tau中微子來(lái)彌補(bǔ)缺失。中微子并沒(méi)有衰變;它們相互轉(zhuǎn)換。中微子的變形，科學(xué)家稱(chēng)之為振蕩，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，研究人員就一直對(duì)此有疑問(wèn); 1998年他們很確定這是真的，并且在2001年成功論證。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)獲得了2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
DUNE實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)研究目標(biāo)，但也許最迫切的是要首先測(cè)量中微子振蕩，然后是反中微子的振蕩。如果它們不同，那么理解該過(guò)程可能會(huì)更有助于我們理解為什么宇宙僅由物質(zhì)構(gòu)成。簡(jiǎn)而言之，它可以解釋為什么人類(lèi)存在這種哲學(xué)和物理難題。
DUNE實(shí)驗(yàn)將包括兩個(gè)探測(cè)器復(fù)合體，一個(gè)較小的安裝在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，四個(gè)較大的安裝在SURF研究中心。一束中微子將離開(kāi)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，向1300公里外的探測(cè)器前進(jìn)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和SURF研究中心探測(cè)器將對(duì)不同類(lèi)型的中微子的比例進(jìn)行測(cè)量。由于中微子振蕩所引起的差異將被測(cè)量，然后同樣的過(guò)程也將應(yīng)用于反中微子的過(guò)程。
未來(lái)在DUNE實(shí)驗(yàn)中使用的技術(shù)涉及大量液態(tài)氬，這樣溫度將會(huì)達(dá)到零下184攝氏度，液態(tài)氮中的中微子相互作用的過(guò)程將被檢測(cè)到。位于SURF地下研究中心的四個(gè)探測(cè)器，每一個(gè)都像四層建筑一樣又高又寬。每個(gè)探測(cè)器中將包含17,000噸液態(tài)氬。相比之下，目前的ProtoDUNE探測(cè)器是一個(gè)小得多的原型設(shè)備，僅由800噸液態(tài)氬組成。它的體積可以容得下一個(gè)小房子。
新發(fā)布的公告表明，DUNE實(shí)驗(yàn)核心采用的液態(tài)氬技術(shù)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。第二臺(tái)ProtoDUNE探測(cè)器也將在幾個(gè)月后上線(xiàn)。第二個(gè)版本使用略微不同的技術(shù)，來(lái)觀察由稀有中微子相互作用引起的粒子軌跡。這兩個(gè)探測(cè)器的測(cè)試結(jié)果將指導(dǎo)科學(xué)家對(duì)探測(cè)器組件的最終設(shè)計(jì)做出決定。DUNE將在未來(lái)十年內(nèi)建成，第一批探地測(cè)器模塊計(jì)劃于2026年投入使用。
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