- DUNE 預定成為粒子物理實驗中最雄心勃勃的項目之一。
- 新的檢測器設計能加倍電子在液態氬中的行進距離。
- 科學家正在推進檢測器至 300,000 伏特的極限。
- DUNE 將觀測中微子並可能揭示物質與反物質的關係。
科學家最近對世界上最大的中微子實驗進行了極限測試，將原型檢測器置於高達 300,000 伏特的極端壓力測試中，這一測試是在美國地下安裝之前進行的。這項針對深地下中微子實驗（Deep Underground Neutrino Experiment，簡稱 DUNE）的測試是在位於法國 Prévessin 的歐洲核子研究組織（CERN）中微子平台進行的。該項目由美國能源部的費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，簡稱 Fermilab）領導。
DUNE 的重要性與挑戰
DUNE 預定成為建造過程中最雄心勃勃的粒子物理實驗之一。一旦啟用，它將研究中微子的神秘行為，並尋找宇宙中物質多於反物質的線索。目前，CERN 內有兩個重達 770 噸的中微子原型檢測器，名為 ProtoDUNEs，這些檢測器在展示 DUNE 預定技術方面發揮了重要作用。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室的高級科學家 Sowjanya Gollapinni 博士表示：「在 ProtoDUNE 上進行技術展示的工作是非常艱巨的。」由於實驗的檢測器組件在安裝後將長期浸泡於液態氬中並且在數十年內無法接觸，科學家必須確保每個系統都能持久可靠。因此，他們使用了一個名為 ProtoDUNE Vertical Drift 的全尺寸原型來驗證技術。該原型用商業化的印刷電路板取代了傳統的基於導線的讀出平面，這使得檢測器的建造變得更簡單，同時能夠以更少的檢測器部件記錄更多的中微子互動。
新的設計使電子在液態氬中行進的距離加倍。
高電壓測試的意義
然而，這樣做需要更高的電壓，以保持電場強度足夠強，將電子引導至檢測器，以免它們消失。因此，研究人員正在產生約 300,000 伏特的電場。布魯克海文國家實驗室的科學家、DUNE 的技術協調員之一 Steve Kettell 博士指出：「一個可以手持的電池兩端的電壓為 1.5 伏特。我們正在將這一概念擴大到 300,000 伏特。」Kettell 強調，團隊故意將檢測器推向其極限。
「這就像在檢測器內部建立一場雷陣雨，但我們並不希望實際的雷電打擊。」他表示，「如果我們看到火花，這將幫助我們研究所有各種組件的反應。」
這個合作項目預計將在 2025 年開始啟用新的原型。持續的壓力測試於 2026 年 5 月開始，應該能確定該系統是否能在現實操作條件下可靠地維持高電壓。DUNE 檢測器將安裝在南達科他州的桑福德地下研究設施，深度將近一英里，並將充滿液態氬以捕捉中微子的稀有互動。當中微子與氬原子碰撞時，會產生帶電粒子，留下微小的電離軌跡。檢測器的敏感電子設備將記錄這些信號，並使科學家能夠重建粒子的能量、方向和身份。
DUNE 還將觀測來自太空的中微子，這些中微子會在可見光之前逃離爆炸的恆星。這可能會給天文學家提供預警，提醒他們附近的超新星。團隊還希望這項實驗能揭示為何物質在大爆炸後存活下來，而反物質則幾乎消失。CERN 當前的壓力測試預計將持續到秋季。如果成功，這將確認檢測器能在地下可靠運行數十年。「如果所有組件都能存活，那將非常令人鼓舞。」Kettell 在新聞聲明中總結道。
DUNE 實驗對粒子物理的影響
DUNE 實驗的成功將對粒子物理學的未來產生深遠影響。它不僅將幫助科學家理解中微子的行為，還可能揭示宇宙中物質和反物質之間的關係。這項實驗的設計和測試過程中所面臨的挑戰，反映了當前粒子物理研究的技術需求和科學探索的複雜性。若能成功運行，DUNE 將成為探索宇宙基本結構的重要工具，並可能為未來的研究開啟新方向。