وبلاگ

در 21 ژوئیه 2017، گروهی از افراد برجسته، دانشمندان و مهندسان در لید، داکوتای جنوبی گرد هم آمدند تا مراسم بی نظیری را در یک مرکز تحقیقاتی در یک معدن طلای سابق، حدود یک مایل زیر زمین، برگزار کنند. این مراسم آغاز ساخت آزمایش نوترینویی زیرزمینی عمیق بود.

DUNE نوترینوها را مطالعه خواهد کرد، ذرات بنیادی ماده که در کیهان فراوان هستند اما گرفتن آن دشوار است. بیش از 100 تریلیون از آنها در هر ثانیه به طور بی ضرر و نامحسوس در بدن شما جریان می یابد.

نوترینوها در سه نوع وجود دارند – نوترینوهای الکترونی، نوترینوهای میون و نوترینوهای تاو – و در حین حرکت بین این گونه‌ها در نوسان هستند. این بدان معناست که نوترینویی که ابتدا به عنوان نوترینوی الکترونی تولید می‌شود، می‌تواند به یک نوترینوی میونی یا یک نوترینوی تاو تبدیل شود.

شرلی لی، فیزیکدان نظری در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین، که نوترینوها را مطالعه می کند، می گوید: تصور کنید بستنی توت فرنگی را از یک بستنی فروشی خریده اید، و زمانی که آن را به خانه می رسانید، به بستنی شکلاتی تبدیل می شود. این نوسان نوترینو است. این فوق العاده عجیب است.

یک تیم بین المللی از دانشمندان آزمایش DUNE را طراحی کردند که بزرگترین آزمایش نوترینویی است که تاکنون در ایالات متحده ایجاد شده است تا این رفتار عجیب را بررسی کنند.

دانستن بیشتر در مورد نوسانات نوترینو می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا به سؤالات بزرگ‌تری پاسخ دهند، مانند اینکه آیا نوترینوها در عدم تعادل بین ماده و پادماده که پس از انفجار بزرگ وجود داشت، نقشی داشته‌اند، بدون آن که جهان ما هیچ یک از ستارگان و سیاراتی را که امروز می‌بینیم، نخواهد داشت.

DUNE که در مرکز تحقیقات زیرزمینی سانفورد قرار دارد تا از تداخل پرتوهای کیهانی محافظت کند، از دو آشکارساز نوترینو عظیم تشکیل شده است که هر کدام چهار طبقه ارتفاع دارند و 170000 تن وزن دارند. هر دو آشکارساز در مسیر شدیدترین پرتو نوترینویی جهان قرار خواهند گرفت که 800 مایل در سراسر زمین از آزمایشگاه شتاب دهنده ملی فرمی وزارت انرژی ایالات متحده در نزدیکی شیکاگو حرکت خواهد کرد.

ساخت DUNE بیش از یک دهه طول خواهد کشید. این شامل ارتقاء گسترده شتاب‌دهنده ذرات Fermilab برای ایجاد پرتو نوترینو و حفاری 800000 تن سنگ برای ایجاد فضا برای آشکارساز در SURF است. اما این تنها تلاش هایی نیست که برای آماده سازی DUNE انجام می شود.

برای آماده شدن برای انجام آزمایش، دانشمندان همچنین باید یک فرآیند چند ساله توسعه پیش‌بینی‌های نظری مورد نیاز برای ارزیابی داده‌های آن را تکمیل کنند، شغلی که به عنوان پدیدارشناسی شناخته می‌شود.

توسعه دستور العمل

پدیدارشناسی بخش مهمی از فرآیند تجربی است. پدیدارشناسی از یک نظریه بنیادی برای پیش بینی اینکه نتایج یک آزمایش چگونه باید باشد استفاده می کند. اگر نتایج بسیار از این پیش‌بینی‌ها منحرف شوند، یا چیزی در آزمایش اشتباه است یا آزمایش چیزی را یافته است که توسط نظریه پیش‌بینی نشده بود.

فرض کنید شما و چهار دوست می خواهید لازانیا درست کنید. یک دوست بیشتر یک نظریه پرداز بنیادی است، بنابراین در مورد موادی که می توان از آن برای تهیه لازانیا استفاده کرد تحقیق می کند و مانند هر دوست خوبی یک گزارش 500 صفحه ای به شما می دهد.

دوست دوم بیشتر یک نظریه پرداز ساختمان مدل است. آن گزارش را می گیرد و برخی ترکیبات احتمالی از مواد تشکیل دهنده را برای استفاده به چه ترتیبی پیشنهاد می کند. شما به‌عنوان یک پدیدارشناس، از این مدل‌ها برای انجام محاسبات دقیق، تعیین میزان استفاده از مواد و مدت زمان پخت محصول نهایی استفاده می‌کنید.

دوست چهارم که یک آزمایشگر است، در واقع تمام مواد تشکیل دهنده شما را با مقادیر پیش بینی شده شما جمع آوری و اندازه گیری می کند، آنها را به درستی تنظیم می کند و آنها را برای مدت زمان تعیین شده می پزد.

اگر لازانیا درست از آب درآمد، نشانه این است که کار تئوری شما درست بوده است. اگر اینطور نیست، می‌تواند نشانه‌ای از چیزی باشد که تئوری شما آن را توضیح نداده است، مانند تأثیری که پخت روی یک ماده خاص می‌گذارد، یا اینکه چگونه می‌تواند یک ماده را با ترکیب دیگر تغییر دهد.

پیش بینی برای DUNE

آشکارسازهای DUNE با آرگون مایع پر خواهند شد. هنگامی که یک نوترینو با هسته آرگون برخورد می کند، این برهمکنش مجموعه ای از ذرات اضافی را تولید می کند که الکترون های آزاد را از اتم های آرگون اطراف جدا می کند. یک میدان الکتریکی این الکترون‌ها را به صفحات کابل‌ها یا تخته‌های PC نصب شده در سرتاسر آشکارساز جذب می‌کند، که سیگنال‌های این الکترون‌های رانش را جمع‌آوری می‌کند. آزمایش‌کنندگان از سیگنال‌ها برای استنباط انرژی، طعم و سایر ویژگی‌های نوترینوی اصلی استفاده خواهند کرد. سپس آنها این نتایج را با پیش بینی های پدیدارشناسان مقایسه خواهند کرد.

مایکل واگمن، نظریه‌پرداز در Fermilab می‌گوید: «درک دقیق فیزیک هسته‌ای برخورد نوترینو با آرگون بسیار چالش‌برانگیز است. «این نیاز به نظریه ای دارد که با دنیای واقعی مرتبط باشد. به عنوان یک پدیدارشناس، من از ریاضیات و رایانه برای بهبود الگوهای برخوردی که باید در آزمایش DUNE ببینیم، استفاده می‌کنم.»

پدرو ماچادو، نظریه‌پرداز در Fermilab می‌گوید پیش‌بینی درباره DUNE کار بسیار دشواری است. اگرچه انرژی برخورد بین نوترینو و هسته آرگون مایع معمولاً بسیار کمتر از انرژی برخورد بین پروتون‌های شتاب‌گرفته در برخورد دهنده بزرگ هادرون در سرن است، اما پدیدارشناسی DUNE عوارض متفاوتی نسبت به پدیده‌شناسی آزمایش‌های شتاب‌دهنده ذرات دارد.

ماچادو می‌گوید: «دانستن محل وقوع برخورد در LHC امکان بهینه‌سازی زیادی را برای آشکارساز فراهم می‌کند. اما از آنجایی که نوترینوها برهمکنش بسیار کمی دارند، این برهمکنش‌ها می‌توانند در هر نقطه از آن اتفاق بیفتند [DUNE] آشکارسازها – و آشکارسازها بسیار بزرگ هستند – که بهینه سازی آنها را بسیار دشوارتر می کند.

پیش‌بینی‌های DUNE باید هم چالش‌های اساسی تشخیص نوترینو و هم عوارض فیزیک هسته‌ای را بررسی کنند. بسیاری از نظریه پردازان در حال کار بر روی پیش بینی هایی هستند که در این برخورد بین نوترینوها و هسته ها چه اتفاقی باید بیفتد. یکی از چالش های مهم این است که تمام کارهای آنها را در مجموعه ای از ارزش ها ترکیب کنند.

جامعه فعالی از دانشمندان در سراسر جهان با ساختن برنامه‌هایی به نام مولد رویداد روی این موضوع کار می‌کنند. مولدهای رویداد، پیش‌بینی‌های مدل‌های مختلف برهمکنش‌های نوترینو را ترکیب می‌کنند تا پیش‌بینی‌های نهایی را در مورد آنچه آزمایش ممکن است در آشکارسازها ببیند، انجام دهند.

نومی روکو، نظریه پرداز Fermilab که نوترینوها را مطالعه می کند، می گوید: «کارهای زیادی برای انجام دادن وجود دارد، اما ما در حال پیشرفت بزرگی هستیم. ما به منابع محاسباتی قابل توجهی و همکاری بین جوامع فیزیک هسته ای و فیزیک ذرات نیاز داریم.»

پدیدارشناسان DUNE مکرراً برای بحث در مورد پیشرفت خود ملاقات می کنند که اخیراً در کارگاهی در سیاتل انجام شده است. گویی چندین سرآشپز با استفاده از تئوری های مختلف لازانیا دستور العمل های لازانیا را ارائه کرده اند. حالا آنها می خواهند همه این دستور العمل ها را در یک غذا قرار دهند بهترین دستور پخت لازانیا

شاید یک گروه بهترین سس و گروه دیگر بهترین ماکارونی را داشته باشد. شاید گروهی از قیمه مرغ و گروهی دیگر از قارچ استفاده کنند. ماچادو می گوید: «تنوع زیادی وجود دارد. همه آنها باید بحث کنند و به نتیجه برسند.»