Ved forskningssenteret CERN er forskerne nå klare til å fylle flytende argon i ProtoDUNE-detektorene. Partikkeldetektorer dekker de innvendige overflatene i det gylne buret.   (Foto: CERN)
Ved forskningssenteret CERN er forskerne nå klare til å fylle flytende argon i ProtoDUNE-detektorene. Partikkeldetektorer dekker de innvendige overflatene i det gylne buret. (Foto: CERN)

Gigantisk detektor skal avsløre materiens gåte

Arbeidet med å bygge nøytrinodetektoren DUNE er i gang på bunnen av en amerikansk gruve, og en europeisk prototype er snart klar til å teste teknologien.

Published

Nytt liv i gammel gullgruve

Homestake-gruven var USAs største og dypeste gullgruve. I løpet av 125 år, frem til 2001, ble det hentet opp enn 1000 tonn gull fra gruven. Nå brukes den til fysikkforsøk som skal beskyttes mot kosmisk stråling.

På bunnen av en nedlagt gullgruve i South Dakota går gravemaskiner snart i gang med å gjøre plass til et gigantisk fysikkforsøk.

Fire høyteknologiske dypfrysere fylles med 68 000 tonn av edelgassen argon, som skal holdes flytende ved en temperatur på minus 185 grader celsius.

Hver beholder blir 66 meter lang, 19 meter bred og 18 meter høy – omtrent som en boligblokk.

Når alt sammen er på plass, skal fysikerne fange opp spor etter nøytrinoer – bitte små, spøkelsesaktige elementærpartikler som fysikerne ikke vet så mye om.

Resultatene kan kanskje fortelle forskerne hvorfor vi har massevis av materie og stort sett ikke noe antimaterie i universet.

Eksperimentet heter Deep Underground Neutrino Experiment, forkortet DUNE. Det plasseres 1475 meter under bakken, for her er detektorene beskyttet mot kosmisk stråling – partikler fra det ytre rom – som kan forstyrre målingene.

Nøytrinoer skytes gjennom jordskorpen

Om lag 1000 forskere fra 30 land deltar i DUNE. Målet er å måle spor etter nøytrinoer som stammer fra en partikkelakselerator 1300 kilometer unna.

Det er masse nøytrinoer i naturen, men de kan også skapes av partikkelakseleratorer. DUNE skal skytes med nøytrinoer fra en akselerator ved forskningssenteret Fermilab i Illinois.

Nøytrinoer er nemlig ikke særlig interessert i samkvem med de andre elementærpartiklene. Derfor suser de rett gjennom annen materie, også 1300 kilometer med fjell.

Men en sjelden gang vil en nøytrino reagere med vanlige atomer. Det vil skje ved at en nøytrino støter inn i et argonatom i DUNE.

Men nettopp fordi det skjer så sjelden, er det behov for en kraftig nøytrinostråle samt en enorm detektor med veldig mange atomer som nøytrinoene kan treffe.

Nøytrinoene skal produseres på Fermilab i Illinois og fanges opp i DUNE-detektoren i South Dakota 1300 kilometer unna. (Illustrasjon: Sandbox Studios)
Nøytrinoene skal produseres på Fermilab i Illinois og fanges opp i DUNE-detektoren i South Dakota 1300 kilometer unna. (Illustrasjon: Sandbox Studios)

Materiens gåte må løses

Sammenstøtet setter i gang en kjedereaksjon der elektroner blir frigitt. Elektronene blir fanget opp av detektorer som installeres på innsiden av beholderen. Så kan fysikerne finne nøytrinoets energi og retning.

Det store spørsmålet er om nøytrinoer og antinøytrinoer oppfører seg på akkurat samme måte.

Hvis det ikke er tilfellet, kan det kanskje forklare hvorfor universet er fylt med materie, og antimaterien forsvant ganske tidlig i universets historie.

Det er nemlig en av fysikkens store gåter, forteller Morten Medici, som er nøytrinoforsker og postdoktor ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet:

– Det burde egentlig være skapt like mange partikler og antipartikler ved universets begynnelse. Når materie og antimaterie møtes, forsvinner begge deler, slik at det bare er energi i form av lys – fotoner – igjen. Da ville vi hatt et univers der det bare var lys og ikke noe materie. 

DUNE-prototypene er store dypfrysere spekket med elektronikk som kan fange opp spor etter nøytrinoer. (Foto: CERN)
DUNE-prototypene er store dypfrysere spekket med elektronikk som kan fange opp spor etter nøytrinoer. (Foto: CERN)

– Men vi er jo her. Det er materie i universet. På en eller annen måte må det ha blitt produsert mer materie enn antimaterie tidlig i universets historie, og det må skyldes at materie og antimaterie oppfører seg litt ulikt. 

Nøytrinoer kan være involvert i dette bruddet på symmetrien mellom materie og antimaterie.

Hvis fysikerne kan vise at nøytrinoer og antinøytrinoer ikke oppfører seg helt likt, kan det altså føre til løsningen på materiens gåte.

Det er først og fremst det DUNE skal brukes til. Detektoren vil vise om det er forskjell på den måten nøytrinoer og antinøytrinoer oppfører seg på.

Tester av teknologien går snart i gang

Første spadestikk til DUNE-detektoren ble tatt 21. juli 2017, men det er mange år til eksperimentet kan starte.

Selve forsøket kan ikke starte før i 2028. Men før det skal teknologien testes i mindre skala, og det skjer på det europeiske forskningssenteret CERN i Sveits.

Her er fysikerne i full gang med ProtoDUNE – to nøytrinodetektorer basert på samme prinsipp som DUNE, men i mindre skala.

Hver detektor måler 11 x 11 x 11 meter og kan romme rundt 800 tonn flytende argon.

ProtoDUNE vil vise om en stor nøytrinodetektor basert på argon fungerer som forskerne håper.

De forventer at ProtoDUNE er klare til å registrere de første målingene i løpet av høsten.

DUNE kan kanskje bringer forskerne på sporet av hvorfor materien dominerer i universet vårt, mens det egentlig burde være like mye antimaterie. (Video: Fermilab)

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.