Gigantisk detektor skal afsløre stoffets gåde
Arbejdet med at bygge neutrinodetektoren DUNE er gået i gang på bunden af en amerikansk mine, og en europæisk prototype er snart klar til at teste teknologien.
ProtoDUNE

På forskningscenteret CERN er forskerne nu klar til at fylde flydende argon i ProtoDUNE-detektorerne. Partikeldetektorer dækker de indvendige overflader i det gyldne bur. (Foto: CERN)

På bunden af en udtjent guldmine i den amerikanske delstat South Dakota går gravemaskiner snart i gang med at gøre plads til et gigantisk fysikforsøg.

Her skal 4 højteknologiske dybfrysere fyldes med 68.000 ton af ædelgassen argon, der skal holdes flydende ved en temperatur på minus 185 grader celsius.

Hver beholder bliver 66 meter lang, 19 meter bred og 18 meter høj – omtrent som en 6-etagers boligblok.

Når det hele er på plads, vil fysikerne bruge opstillingen til at opfange spor efter neutrinoer – bittesmå, spøgelsesagtige elementarpartiker, som fysikerne ikke ved ret meget om.

Måske kan resultaterne fortælle forskerne, hvorfor vi har masser af stof og stort set intet antistof i universet.

Eksperimentet hedder Deep Underground Neutrino Experiment, forkortet DUNE. Det placeres 1.475 meter under jorden, for her er detektorerne rigtig godt beskyttet mod kosmisk stråling – partikler fra det ydre rum – der kunne forstyrre målingerne.

Neutrinoer skydes gennem jordskorpen

Cirka 1.000 forskere fra 30 lande deltager i DUNE, hvor hovedformålet er at måle spor efter neutrinoer, der stammer fra en partikelaccelerator 1.300 km væk.

Udover at findes i rigt mål i naturen, kan neutrinoer nemlig også skabes ved hjælp af partikelacceleratorer, så DUNE skal beskydes med neutrinoer fra en accelerator på forskningscenteret Fermilab i Illinois.

Nyt liv i gammel guldmine

Homestake-minen var USA's største og dybeste guldmine. I løbet af 125 år frem til 2001 blev der hentet mere end 1.000 tons guld op fra minen. Nu bruges minen til fysikforsøg, der skal beskyttes mod kosmisk stråling.

Neutrinoer gider ikke rigtig lege med de andre elementarpartikler. Derfor suser de nemt lige igennem alting, inklusive de 1.300 km klippegrund.

Men en sjælden gang imellem vil en neutrino vekselvirke med andet stof. Det vil ske, at en neutrino støder ind i et argonatom i DUNE.

Men netop fordi det sker så uhyre sjældent, er der brug for en kraftig neutrinostråle samt en kæmpestor detektor med rigtig mange atomer, som neutrinoerne potentielt kan ramme.

DUNE neutrinoer

Neutrionerne skal produceres på Fermilab i Illinois og opfanges i DUNE-detektoren i South Dakota 1.300 km derfra. (Illustration: Sandbox Studios)

Stoffets gåde skal løses

Sammenstødet sætter gang i en kædereaktion, hvor elektroner bliver frigivet. Elektronerne bliver opfanget af detektorer, der installeres overalt på beholdernes indvendige sider. Så kan fysikerne regne tilbage og finde ud af neutrinoens energi og retning.

Det store spørgsmål er så, om neutrinoer og deres antipartikler, der ikke overraskende kaldes antineutrinoer, opfører sig på præcis samme måde.

Hvis det ikke er tilfældet, kan det måske forklare, hvorfor universet er fyldt med stof, og antistoffet forsvandt ganske tidligt i universets historie.

Det er nemlig en af fysikkens store gåder, fortæller Morten Medici, der er neutrinoforsker og postdoc på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet:

»Der burde egentlig være skabt lige mange partikler og antipartikler ved universets begyndelse. Når stof og antistof mødes, forsvinder begge dele, så der kun er energi i form af lys – fotoner – tilbage. Så ville vi have et univers, hvor der kun var lys og intet stof.«

ProtoDUNE detektor

De to DUNE-prototyper, hvoraf den ene ses her, er i bund og grund store dybfrysere spækket med elektronik, der kan opfange spor efter neutrinoer. (Foto: CERN)

»Men vi er her jo. Der er stof i universet. På en eller anden måde må der være produceret mere stof end antistof tidligt i universets historie, og det må skyldes, at stof og antistof opfører sig en smule forskelligt – at ikke alle processer forløber på samme måde for stof og antistof.«

Neutrinoer kan være kraftigt involveret i dette brud på symmetrien mellem stof og antistof.

Hvis fysikerne kan vise, at neutrinoer og antineutrinoer ikke opfører sig helt ens, kan det føre til løsningen på stoffets gåde.

Det er først og fremmest det, DUNE skal bruges til. Detektoren vil vise, om der er forskel på den måde, neutrinoer og antineutrinoer opfører sig på.

Test af teknologien går snart i gang

Første spadestik til DUNE-detektoren blev taget 21. juli 2017, men det varer mange år, før eksperimentet kan starte.

Forsøgsopstillingen er nok først klar i 2028. Men inden da skal teknologien testes i mindre skala, og det sker på det europæiske forskningscenter CERN i Schweiz.

Her er fysikerne i fuld gang med at færdigbygge ProtoDUNE – to neutrinodetektorer baseret på samme princip som DUNE, men noget mindre.

Hver detektor måler 11 x 11 x 11 meter og kan rumme i omegnen af 800 ton flydende argon.

ProtoDUNE vil vise, om en stor neutrinodetektor baseret på argon fungerer, som forskerne håber.

De forventer, at ProtoDUNE er klar til at tage de første målinger i løbet af efteråret.

Måske kan DUNE bringer forskerne på sporet af, hvorfor stoffet dominerer i vores univers, hvor der egentlig burde være lige så meget antistof. (Video: Fermilab)

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.