液氬中微子探測器首次記錄幽靈粒子軌跡，有助破譯宇宙存在的奧秘

對亞原子世界的研究徹底改變了我們對宇宙定律的理解，讓人類對於深層問題有了前所未有的見解。從歷史上看，這些問題在哲學領域一直存在：宇宙是如何形成的？宇宙為什麼會這樣？為什麼這些東西存在。

從兩個相距1300公里物理實驗室之間，追蹤從地球上穿過的叫做中微子的幽靈粒子。現在科學已經在構建設備方面邁出了關鍵的一步，這將有助於我們回答這些問題。

9月18日歐洲核子研究中心和費米實驗室宣布深地中微子實驗向前邁出了一大步，他們已經通過立方形探測器ProtoDUNE記錄下了第一個粒子軌跡。這個項目也將是未來二十年美國進行的旗艦粒子物理研究項目。ProtoDUNE大約有三層樓大小，是深地中微子DUNE實驗中未來將使用的更大探測器的原型，這個宣布意味著科學家所運用的技術有效

DUNE探測器將位於芝加哥郊外的費米國家加速器實驗室和位於南達科他州的桑福德地下研究中心（簡稱SURF）。當實驗啟動並運行時，費米實驗室的一個強大的粒子加速器將會產生一束被稱為中微子的亞原子粒子束，從地球上穿過，而在SURF研究中心可以被探測到。

中微子是亞原子世界的幽靈，能夠在幾乎沒有任何相互影響的情況下穿過整個地球。中微子過去曾多次讓科學家感到驚訝。從它們前所未有的穿越物質的能力，到他們對物質和反物質的截然不同的處理方式，以及它們從一個版本進化到另一個版本的能力，中微子一直讓整個科學界為之著迷。

反物質聽起來像科幻小說，但它確實是真實的。反物質是物質的反面; 將物質和反物質結合在一起，它們將湮滅成純粹的能量。1928年提出了反物質概念，1931年首次發現反物質。在這幾十年間，科學家對其進行了極其詳細的研究。它的大多數情況被理解了，但還是有著讓人困惑的神秘面紗。

當我們將能量轉換成反物質時，我們會產生相同數量的物質。這是一門公認的科學。這不是問題所在。問題在於，如果我們把這個發現和大爆炸的想法結合來看，就會發現端倪。畢竟在宇宙大爆炸之後不久，宇宙充滿了能量，它應該同樣地轉化為物質和反物質。然而我們的宇宙完全是由物質構成的。那麼反物質在哪裡呢？這個問題沒有答案; 也許對物質和反物質中微子的仔細研究可能會揭示出不同之處。

像其他亞原子粒子一樣，中微子和反物質中微子，它們有一個叫做「自旋」的量，雖然不完美，但與小的旋轉球有相似之處。中微子和反中微子在相反的方向旋轉。如果你發射中微子束，它就會向你的方向靠近，你可以盯著中微子的自旋軸;你會看到它們以順時針方向旋轉，而反中微子則向相反的方向旋轉。因為中微子和反中微子的自旋是相反的，這就確定了兩者之間的區別。也許這種差異意味著研究中微子的物質和反物質類似物將會為這一謎題提供線索。

中微子的另一個特性使它們在缺失反物質的難題中變得有趣，它們可以從一個身份轉變為另一個。科學家已經發現了三種不同類型的中微子。一種與電子有關，被稱為電子中微子。另外兩個與名稱為muon和tau的亞原子粒子有關，它們是電子的近親。

如果你從觀察一束電子中微子開始，然後過一會兒再看它們，你會發現電子中微子比你開始時要少，但是有足夠的μ子和tau中微子來彌補缺失。中微子並沒有衰變;它們相互轉換。中微子的變形，科學家稱之為振蕩，自20世紀60年代以來，研究人員就一直對此有疑問; 1998年他們很確定這是真的，並且在2001年成功論證。中微子振蕩的發現獲得了2015年諾貝爾物理學獎。

DUNE實驗有幾個研究目標，但也許最迫切的是要首先測量中微子振蕩，然後是反中微子的振蕩。如果它們不同，那麼理解該過程可能會更有助於我們理解為什麼宇宙僅由物質構成。簡而言之，它可以解釋為什麼人類存在這種哲學和物理難題。

DUNE實驗將包括兩個探測器複合體，一個較小的安裝在費米實驗室，四個較大的安裝在SURF研究中心。一束中微子將離開費米實驗室，向1300公里外的探測器前進。費米實驗室和SURF研究中心探測器將對不同類型的中微子的比例進行測量。由於中微子振蕩所引起的差異將被測量，然後同樣的過程也將應用於反中微子的過程。

未來在DUNE實驗中使用的技術涉及大量液態氬，這樣溫度將會達到零下184攝氏度，液態氮中的中微子相互作用的過程將被檢測到。位於SURF地下研究中心的四個探測器，每一個都像四層建築一樣又高又寬。每個探測器中將包含17,000噸液態氬。相比之下，目前的ProtoDUNE探測器是一個小得多的原型設備，僅由800噸液態氬組成。它的體積可以容得下一個小房子。

新發布的公告表明，DUNE實驗核心採用的液態氬技術是一個不錯的選擇。第二台ProtoDUNE探測器也將在幾個月後上線。第二個版本使用略微不同的技術，來觀察由稀有中微子相互作用引起的粒子軌跡。這兩個探測器的測試結果將指導科學家對探測器組件的最終設計做出決定。DUNE將在未來十年內建成，第一批探地測器模塊計劃於2026年投入使用。

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