為研究中微子，科學家設計了1300千米長的地下實驗

在南達科塔州戴德伍德一個廢棄的金礦,已經開始建設可以說是世界上最大的科學實驗室。大約1000名科學家組成的國際研究小組設計並運行這個項目——深地中微子實驗（DUNE）——為了研究宇宙中最豐富的但難以捉摸的物質基本粒子。

在這一過程中，我們可能又更近了一步理解物質的起源和完成科學家宇宙是如何工作的模型。這就是為什麼英國政府已經為該項目撥款6500萬英鎊，使英國成為僅次於美國的第二大資助國家。

粒子物理學家對中微子著迷，因為它們不同尋常的特性，這可能是直接關係可以解釋宇宙結構的現象。中微子是不能被分解的基本粒子之一。他們到處都是，但非常難以捕捉，因為他們幾乎沒有質量，不帶電，也絕少與其他粒子相互作用。

每秒大約有1000億的中微子與你擦肩而過，但幾乎所有中微子都是不留任何痕迹地穿過地球。大多數的中微子來自太陽的核子反應。中微子也有來自宇宙射線與大氣反應，或爆炸的恆星。他們也在宇宙剛誕生時大量產生。

1300千米的實驗

這意味著通過研究中微子和他們的配對物「反中微子」，我們也許能夠找出宇宙的開始發生的事情，意味著它主要是由物質而不是反物質組成。建立實驗探測中微子也可以幫助我們發現質子是否衰變，這是證明科學家的關於物理的大部分力都可以使用「大統一理論」來解釋的關鍵證據。

為此，DUNE將從伊利諾伊州費米國家加速器實驗室發射中微子束，沿著一條1300公里的地下軌道到達南達科他州桑福德地下研究設施。相比之下，用於尋找希格斯玻色子的圓形大型強子對撞機粒子加速器的周長是27公里，雖然DUNE的粒子會直接穿過地面，而不需要專門搭建一個隧道。

南達科他州桑福德研究實驗室

檢測中微子

中微子有三種類型，被稱為:電子中微子，μ中微子和τ中微子。中微子將主要以μ中微子形式離開費米實驗室，但他們可能改變或「振蕩」向前。檢測這些振蕩將提供明確的關於中微子在宇宙的本質及其作用的問題的答案。

中微子可以通過光記錄，電荷和它們接觸進入液體時產生的粒子類型時檢測到。當每個中微子到達時，它將創建一個對應於它類型的粒子。一個電子中微子，例如，將產生一個電子，而μ中微子將產生一個μ介子。那麼我們如果我們可以檢測到電子就可以知道μ中微子在中途改變了他們的類型。

DUNE將使用四個大型容器，每個包含10000噸液氬使溫度保持在-186℃，這樣探測的中微子比先前的實驗精確度更高，之前實驗使用的容器要麼更小要麼是裝滿水。實驗在約一英里的地下進行，防止檢測到由宇宙輻射轟擊地球造成的假中微子信號。

發生在液氬中的中微子事件

在該實驗使用的這種高靈敏度方法也將有助於探測太空中微子爆發。例如，在1987年 附近超新星導致了世界上所有的中微子探測器總共記錄了25個中微子事件。DUNE能夠在類似的超新星事件中約10秒鐘周期內觀察成千上萬的微中子散射。分析這樣一個中微子脈衝的組成和時間結構將徹底改變我們對超新星和中微子性質的理解。

揭開反物質的神秘性

所有這些能夠該幫助我們回答關於中微子的幾個關鍵問題，例如關於它們的質量。中微子是如此微小，它們的質量可能不是由大型強子對撞機(lhc)最近發現的希格斯玻色子創造，大部分其他基本粒子質量都是通過希格斯玻色子獲得。相反，它們的質量可能來自重的反中微子並且在形成後很快衰減。

這些中微子可能在宇宙的早期演化中發揮了關鍵作用和還可以幫助解釋為什麼宇宙中物質多於反物質。

此外探測器中的大量氬包含許多質子，因此DUNE也是一個尋找質子衰變理想實驗，我們當前的物理學的「標準模型」來描述的基本粒子, 質子是不可能衰變的。但許多大統一理論的科學家們來解釋宇宙中所有的力量（引力除外） 放在一起預測，質子也會衰變，只是非常緩慢。

到目前為止，我們沒有證據表明質子衰變，但如果真的發生,，那麼DUNE應該能夠檢測和在毫米精度上定位它在液氬的位置。這可能有助於證明是否大統一理論是正確的，又能提供更多的線索關於與反物質相比物質佔主導地位。

新的資金支持與來自世界各地的科學家們的共同努力下，將讓實驗步入正軌，在2024年DUNE記錄第一個事件。這意味著在未來十年內我們可以解決一些宇宙中最大的謎團。

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