Kako funkcioniše detektor ProtoDUNE i šta nam mogu otkriti inače neuhvatljivi neutrini?
Ovaj tekst je prvi put objavljen u Odiseji #01
U CERN-u detektor ProtoDUNE radi punom parom. U pitanju je trenutno najveći detektor neutrina na svetu, koji je sam tek prototip budućeg, još većeg i moćnijeg detektora koji se gradi u SAD u okviru međunarodnog projekta DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment).
Neutrini su jedne od najzastupljenijih elementarnih čestica, ali je ipak o njima prikupljeno veoma malo podataka, zato što prolaze kroz materiju a da pritom ne interaguju sa atomima od kojih je ona sačinjena. Odnosno, neutrini se kreću gotovo svuda oko nas ali gotovo bez ikakvih tragova. Međutim, u kontrolisanim uslovima detektora ProtoDUNE, fizičari imaju mogućnost da zabeleže one ekstremno retke interakcije neutrina i atoma materije kroz koju se kreću – u ovom slučaju, tečnog argona.
Ovaj hemijski element je na sobnoj temperaturi u gasovitom stanju, a kako bi prešao u tečno potrebno je da temperatura bude niža od minus 186 stepeni Celzijusa. Prototip detektora, koji ima oblik kocke i veličine je trospratne kuće, napunjen je sa čak 800 tona tečnog argona. Kada neutrini uđu u detektor i sudare se sa jezgrima atoma ovog plemenitog gasa, kao proizvod interakcije nastaju naelektrisane čestice, koje u tečnosti ostavljaju tragove na osnovu kojih se zaključuje da je došlo do sudara.
U septembru prošle godine uočeni su prvi tragovi sudara u detektoru ProtoDUNE, a u međuvremenu iz CERN-a javljaju da projekat napreduje u potpunosti po planu, što je, kako je svojevremeno rekla jedna od koordinatorki, „više nego što možemo da sanjamo“ kada su u pitanju ovako velike i kompleksne mašine.
Neutrini nastaju prilikom različitih prirodnih procesa, kao što su nuklearne reakcije na Suncu i drugim zvezdama, ali i normalnim radom nuklearnih reaktora.
Naučnici veruju da bi saznanja o ovim česticama, koja su još uvek prilično skromna, možda mogla da pruže odgovore na razna pitanja ranog univerzuma. Jedno od najvažnijih pitanja na koja naučnici žele da odgovore posmatrajući razlike u ponašanju neutrina i njegove antičestice, antineutrina, jeste zašto je univerzum sačinjen od materije a ne od antimaterije, odnosno kako je materija postala dominantna. Osim toga, istraživači će tokom DUNE eksperimenta ispitivati i kako se formiraju neutronske zvezde i crne rupe, tražeći mlazove neutrina koji nastaju tokom evolucije supernova.
Postojanje neutrina se prvi put eksperimentalno potvrdilo 1956. godine, ali se sve do 1998. godine pretpostavljalo da ove čestice nemaju masu. Otkriće Takaki Kadžite i Artura Mekdonalda da neutrino ima masu donelo je ovim fizičarima 2015. godine Nobelovu nagradu.
Projekat DUNE vodi američka laboratorija za fiziku elementarnih čestica Fermilab u Ilinoisu. Nakon uspešnog rada prototipa, ista tehnologija će se primeniti i u modulima samog detektora, koji će biti izgrađen u podzemnoj laboratoriji Sanford u Južnoj Dakoti, na 1500 metara ispod nivoa zemlje. Detektor će biti višestruko veći od ProtoDUNE kojim rukovodi CERN, ispunjen sa ukupno 68.000 tona tečnog argona, a sa radom bi trebalo da započne 2026. godine.
Jednom kada DUNE eksperiment počne sa radom, Fermilab će biti zadužen da stvara snopove neutrina koje će ispaljivati u pravcu detektora punih tečnog argona u laboratoriji Sanford u Južnoj Dakoti. Kako postupak opisuje Fermilab, „neuhvatljivim“ česticama nije potreban nikakav tunel. Neutrini će razdaljinu od oko 1300 kilometara prelaziti u pravoj liniji, ravno kroz zemlju, brzinom bliskom brzini svetlosti, dostižući na pola svog puta maksimalnu dubinu od 30 kilometara ispod zemlje. — ⊗
