바타 비아, 일리노이 - 4 일 후 라자루스는 무덤에서 상승했지만 Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)의 물리학 자들은이를 끔찍한 구덩이로 내리고 쌀쌀한 유체로 방부화하여 거대한 입자 탐지기를 부활시키고 있습니다. 2018 년 8 월, 근로자들은 선적 컨테이너보다 더 큰 두 개의 반짝이는 은색 탱크, 탐지기의 두 반쪽을 콘크리트 구멍으로 완화했습니다. 2 년 전 유럽에서 운반 된 이카루스는 우주와 희귀 한 지하 신호를 영상화하기위한 구식 약어 - 물리학 자들이 꿈꾸는 가장 이상한 입자, 멸균 중성미자라는 홀수 볼을 찾는 두 번째 삶을 시작하게 될 것입니다.
.5 월의 밝은 오후에, 이카루스는 단열 된 석관에 속하며 기술자들은 그 위에 밀어 넣어 전자 장치를 항구에 조용히 연결하는데, 석공이 자신의 작품을 따라 잡는 것처럼 관찰자들에게 무관심합니다. 검출기가 연결되면 작업자는 3 미터 두께의 콘크리트 뚜껑 아래 밀봉합니다. 그런 다음 그들은 화려한 액체 아르곤으로 이카루스를 채울 것이라고 Fermilab 물리학자인 Angela Fava는 위의 난간을 바라보고 있다고 설명합니다. "우리는 연말까지 데이터를 가져 가기를 희망합니다."
실험은 이카루스에게 영광에서 또 다른 샷을 제공합니다. 거의 10 년 전에 이탈리아 로일 라에있는 그란 사소 국립 실험실 (Gran Sasso National Laboratory)에서 Deep Underground에서 일반 중성미자의 특성을 연구하고 압도적 인 결과를 얻었습니다. 이탈리아의 Naples Federico II 대학의 물리학 자이자 에멀젼 트래킹 장치 (Opera)의 진동 프로젝트 대변인 인 Giovanni de Lellis는“그들은 늦었고 예상보다 훨씬 작은 탐지기를 가지고 있었기 때문에 경쟁력이 없었기 때문에 경쟁력이 없었습니다.
그럼에도 불구하고, 이카루스는 또 다른 방식으로 성공했다. 이는 이탈리아 노벨상 수상자 카를로 루비아 (Carlo Rubbia)의 아이디어 인 액체 아르곤 시간 프로젝션 챔버 (Liquid Argon Time Projection Chamber)라고 불리는 새로운 종류의 탐지기가 전례없는 정밀도와 아토미닉 핵과 중성미자의 드문 상호 작용을 포착 할 수 있음을 증명했다. 스토니 브룩 (Stony Brook)에있는 뉴욕 주립 대학의 중성미자 물리학자인 Chang Kee Jung은“솔직히 말해서, 나는 그것이 효과가있을 것이라고 생각하지 않았다. "나는 경외심이 많다." 이 접근법은 2012 년에 미국 물리학 자들이 최고의 중성미자 실험을 위해 비교적 위험한 기술을 선택하여 다음 10 년을 건설 할 수 있도록 잘 작동했습니다.
그 동안, 이카루스는 대서양 반대편에서 일하기 위해 돌아갑니다. 2017 년 유럽에서 일리노이, 바다, 강, 도로로 여행 한 후, 이곳은 Fermilab에서 중성미자 사냥을 재개 할 것입니다. 그들이 존재한다면, 멸균 중성미자는 물리학 자의 입자와 힘의 표준 모델에 새로운 추가 사항이 될 것입니다. 그들은 동료 중성미자에 대한 잔소리 퍼즐을 해결했지만 탐지하기가 훨씬 어려울 것입니다. 평범한 중성미자는 다른 문제와 간신히 상호 작용합니다. 그러나 멸균 중성미자는 그들의 이름에 따라 다른 중성미자를 제외하고는 아무것도 상호 작용하지 않을 것입니다.
1990 년대 후반부터 실험은 그들의 존재를 암시했다. 설득력이 없지만, 멸균 중성미자의 경우는 회의적인 물리학 자조차도 골라야하는 딱지입니다. 정은“우리는 그것을 무시할 수 없다”고 말했다. "우리는 정말로 폐쇄가 필요합니다." Blacksburg의 Virginia Polytechnic Institute와 State University의 이론가 인 Patrick Huber는 큰 입자 콜리 라이더에서 새로운 물리학의 징후가 부족하여 사냥이 더 의미가 있다고 말합니다. "새로운 물리학을 찾으려면 어떤 일이 일어나고있는 곳을 보지 않겠습니까?" 허버는 말한다.
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중성미자는 광자를 제외한 우주의 다른 모든 유형의 입자보다 우수합니다. 그들 중 2 조 2 천만 명이 우리 각자를 통해 눈에 띄지 않습니다. 입자는 전자, 뮤온 및 타우의 세 가지 맛으로 나옵니다. 예를 들어, 핵 상호 작용은 전자 중성미자를 생성하는 반면, 뮤온 중성미자는 뮤온 (muons)이라는 입자의 붕괴에서 나온다.
이상하게도 중성미자는 맛을 바꿀 수 있습니다. 물리학 자들이 태양이 예상보다 많은 전자 중성미자의 절반을 방출하는 것처럼 보였고, 대기에서 비가 내리는 뮤온 중성미자의 상당 부분이 탐지기에 도달하기 전에 사라지는 것처럼 보였을 때, 그 계시는 20 년 전에 시작되었습니다. 중성미자 진동이라고도하는 향미 스와핑은 이러한 결함을 설명합니다. 그것은 또한 질량이 없다고 생각하는 중성미자가 실제로 가장 적은 양을 가지고 있음을 증명합니다. 상대성 이론은 경도로 이동하려면 질량이없는 입자가 필요합니다.
물리학 자들은 원자로에 의해 생성 된 중성미자의 진동을 연구하고 가속기에서 지구를 통해 수백 킬로미터 떨어진 탐지기까지 발사함으로써 3 가지 맛 이론을 거칠게했다. 세계의 현재 큰 중성미자 실험은 Fermilab의 NO V 입니다 A는 미네소타의 애쉬 강에서 810km 떨어진 탐지기로 뮤온 중성미자를 쏘고 일본의 T2K로, 토카이의 실험실에서 295km 떨어진 아연의 탐지기 인 슈퍼 카미오 칸데 (Super-Kamiokande)로 유사한 빔을 지시합니다. 이러한 긴 "기준"은 3 개의 중성미자 향이 에너지와 질량의 작은 차이에 의존하는 속도로 먼 거리에서만 진동하기 때문에 필요합니다.
이 실험은 연구원들에게 3 개의 중성미자 덩어리의 차이에 대한 손잡이를 주었다. 그러나 덩어리 자체는 전자의 질량을 1 백만으로 1 백만 명이 넘지 않아도 거의 작게 남아 있습니다. Fermilab의 이론가 인 Stephen Parke는 이런 상황이 이론가들에게 가슴 앓이를 주었다고 말합니다. 물리학 자들은 왜 중성미자의 질량이 왜 그렇게 정교하게 가깝지 만 정확히 제로가 아닌지를 설명 할 수있는 좋은 방법이 거의 없기 때문입니다.
.멸균 중성미자를 입력하십시오. Parke는 거의 질량이없는 중성미자가 표준 모델에서 수학적 대칭을 자극한다고 설명했다. 그러나 이론가들은 대칭을 패치하고 각 유형의 중성미자가 양자 역학적 혼합물로 태어 났다고 가정하면 작은 덩어리를 설명 할 수 있습니다. 믹싱은 일반 중성미자의 질량을 더욱 구동하고 멸균 중성미자의 질량을 더욱 구동하는 "시소 메커니즘"을 설정합니다.
멸균 중성미자의 첫 번째 실험 힌트는 1993 년부터 1998 년까지 뉴 멕시코의 Los Alamos National Laboratory에서 실행 한 액체 신틸 레이터 중성미자 탐지기 (LSND)에서 나왔습니다. 연구원들은 순수한 뮤온 중성미자의 빔을 생성하기 위해 양성자를 표적으로 촬영했습니다. 그러나 그들은 30 미터 떨어진 탐지기에서 수십 개의 전자 중성미자를 발견했습니다. 그 결과 Muon Neutrinos가 더 무거운 멸균 중성미자로 빠르게 변형 된 다음 풍미를 바꾸는 단축키에서 전자 중성미자로 변형되고 있음을 시사했습니다. 멸균 중성미자의 높은 질량은 진동이 더 빨리 일어날 것입니다.
2002 년부터 올해까지 실행 된 Fermilab의 미니 부스터 중성미자 실험 (Miniboone)을 가진 연구원들은 500m 떨어진 더 큰 탐지기로 더 높은 에너지 뮤온 중성미자를 발사함으로써 비슷한 결과를 발견했습니다. 다른 실험은 다른 보완적인 힌트를 발견했습니다. 수많은 측정에 따르면 원자로는 예상보다 전자 중성미자를 더 적게 생산할 수 있습니다. 아마도 중성미자가 멸균 형태로 진동하고 사라지기 때문일 수 있습니다. 일부 천체 물리적 관찰은 우주에 떠있는 멸균 중성미자가 우주의 질량의 대부분을 구성하는 것으로 여겨지는 검출되지 않은 암흑 물질 입자 일 수 있다고 암시합니다.
경고가 많이 있습니다. LSND 및 미니 보네 결과를 설명 할 수있는 멸균 중성미자는 시소 메커니즘에 필요한 것보다 훨씬 가볍고 우주 암흑 물질을 설명하기에는 너무 가볍습니다. 원자로는 중성미자 진동으로 인해 핫 리액터 연료에서 방사성 붕괴가 잘되지 않았기 때문에 예상보다 적은 중성미자를 생산할 수 있습니다. 허버는“이러한 모든 관찰을 동의하는 것은 매우 어렵다”고 말했다. 그러나 그 긴장은 더 큰 발견을 암시 할 수 있다고 Parke는 말합니다. "무균 중성미자가 아니라 다른 새로운 물리학이라면 더욱 흥미 롭습니다."라고 그는 말합니다. Parke는 LSND 및 미니 보네 결과를 설명해야한다고 말합니다.
멸균 중성미자의 힌트가 축적되는 동안 루비아와 동료들은 이카루스를 개발하고있었습니다. 루비아는 1977 년 1977 년에 매우 다른 종류의 입자를 발견하기 위해 노벨 물리학상을 공유하기 7 년 전 아이디어를 꿈꾸 었습니다. 특정 핵 쇠퇴를 지배하는 약한 핵무기를 담당하는 대규모 W 및 Z 입자. 그의 상을 수상한 작업에서 휴식을 취하면서 루비아는 5000 톤의 탐지기를 구상하여 이론적으로 가능할 것으로 예상되는 사건을 지켜 볼 수 있었지만 사라지게 드물지만 양성자의 붕괴. 동일한 탐지기는 대기에서 중성미자를 연구하거나 가속기에서 발사 할 수 있습니다.
중성미자 검출기는 일반적으로 핵이 그것을 흡수하고 에너지 전자를 뱉을 때 전자 중성미자를 발견하고; 뮤온 중성미자의 경우 신호는 뮤온입니다. 사건은 매우 드물기 때문에 루비아에는 많은 톤의 탐지기 재료가 필요했습니다. 이 요구 사항은 일반적으로 정밀한 상충 관계가 필요합니다.
예를 들어, Super-Kamiokande는 50,000 톤의 초음파수로 채워진 탱크이며 13,000 개의 가벼운 탐지기가 늘어서 있습니다. 중성미자가 전자 또는 뮤온을 생성 할 때, 그 속도가 충전 된 입자는 탱크의 탐지기에 의해 링으로 픽업되는 충격의 파동을 방출합니다. 고리의 선명도 또는 퍼지는 입자의 유형과 원래 중성미자의 향을 보여줍니다. 그러나 Super-Kamiokande는 상호 작용에서 생성 된 다른 낮은 에너지 입자를 정확하게 추적하거나 다른 낮은 에너지 입자를 발견 할 수 없으며, 중성미자 진동을 자세히 연구하기위한 주요 변수 인 Neutrino의 에너지를 추정하는 능력을 제한합니다.
.루비아는 크고 정확한 검출기를 구상했습니다. 한쪽에 미세한 와이어 그리드와 고전압 전극이있는 큰 액체 아르곤의 큰 탱크. 빛의 섬광에서 중성미자에 의해 생성 된 고 에너지 전자 또는 뮤온은 경로를 따라 아르곤을 이온화하여 전자의 흔적을 남깁니다. 강한 전기장은이 전자를 그리드로 밀어 넣을 것입니다. 그리드에 어떤 와이어가 전자에 닿은 지와 검출기가 원래 전자 또는 뮤온을 3D로 추적 할 수있는시기를 등록함으로써. 조밀 한 액체는 많은 표적 핵을 제공하며 화학적 특성은 전자가 장거리 표류 할 수 있도록합니다.
액체 아르곤 검출기는 밀리미터 정밀도를 갖는 전자 또는 뮤온을 추적하고 입자를 쉽게 구별 할 수 있다고 케임브리지의 매사추세츠 공과 대학의 중성미자 물리학자인 Janet Conrad는 말합니다. "트랙은 매우 다릅니다. 토끼 트랙과 사슴 트랙과 같은 경향이 있습니다."라고 그녀는 말합니다. 이러한 정밀도는 스퓨리어스 사건을 쉽게 배제 할 수있게합니다. 탐지기는 또한 상호 작용에서 폭발 된 다른 모든 하전 입자를 추적 할 수있어 원래 중성미자의 에너지를 더 잘 추정하여 얼마나 빨리 진동 해야하는지를 결정할 수 있습니다.
.루비아의 비전을 실행하는 것은 엄청난 도전이었습니다. 아르곤은 –186 ° C로 식고 오염 물질은 1 조의 부품 수준으로 감소해야합니다. 1990 년대까지 CERN의 물리학 자, 스위스 제네바 근처의 유럽 입자 물리 실험실 및 파비아의 이탈리아 국립 핵 물리 연구소 (National Instit Gran Sasso의 Icarus에서 일한 Fermilab 물리학자인 Ornella Palamara. "이 모든 것이 시간이 걸립니다."
이카루스는 일단 자리를 잡았으며, 이카루스는 뮤온에서 타우 중성미자에 이르기까지 아직 관찰되지 않은 진동의 힌트를 위해 Cern에서 발사 된 뮤온 중성미자의 흐름을 모니터링했습니다. 그것은 Tau Neutrinos에 의해 생성 된 무겁고 짧은 타우 입자의 붕괴를 발견하기 위해 사진 필름 벽돌을 사용한 특이한 탐지기 인 Opera로 잃었다. Icarus의 가장 큰 과학적 업적은 2011 년 9 월 Cern에서 나오는 중성미자가 빛보다 빠르게 여행했다고 Opera의 주장을 무너 뜨렸을 수도 있습니다. Corvallis에있는 Oregon State University의 중성미자 물리학자인 Heidi Schellman은“Icarus는 잘못된 곳에서 올바른 탐지기였습니다.
그럼에도 불구하고, 이카루스는 중성미자 연구 과정을 변경했습니다. 미국 물리학자가 다음 위대한 중성미자 실험을 수행하는 것처럼 실행 되었기 때문입니다. 깊은 지하 중성미자 실험 (DUNE)은 1500 미터, 사우스 다코타 (South Dakota)의 포기 된 금광에 1500 미터를 숨길 것입니다. 현재 실험은 3- 맛 모델의 특정 매개 변수에 초점을 맞추는 반면, Dune은 모델을보다 엄격하게 테스트하기 위해 모든 매개 변수를 한 번에 측정 할 수있는 많은 정밀도로 많은 중성미자를 면밀히 조사합니다. 또한 중성미자와 항구 인자 인 안티 누트 리노 사이의 비대칭 성을 찾아서 초기 우주가 안티 산물보다 더 많은 물질을 어떻게 생성했는지 설명 할 수 있습니다.
.Dune에 대한 초기 계획은 Super-Kamiokande의 크기의 4 배나 많은 물 탐지기를 구상했습니다. 그러나 물리학 자들은 이카루스의 이미지를보기 시작했다고 Fermilab의 물리학자인 Sam Zeller는 말합니다. "당신은 그들을보고‘이것은 게임 체인저입니다.’라고 말할 것입니다."결국 그들은 위험한 액체 아르곤 기술을 선택했습니다.
그러나 루비아는 이카루스와 함께하지 않았습니다. 2013 년에 그는 탐지기를 Fermilab으로 데려 오는 것을 제안했으며, 그곳에서 연구원들은 멸균 중성미자를 사냥하기 위해 유사한 탐지기를 구축하기를 희망했습니다. Palamara는“물론 Fermilab Scientific Committee는``계획을 세우기 위해 함께 앉아서 함께 노력하고있다 ''고 말했다.
Icarus는 오페라와 경쟁하기에는 너무 작았지만, Tantalizing LSND 및 Miniboone 결과를 확인하거나 배제하기에 적합한 크기라고 Schellman은 말합니다. "이것은 탐지기의 훌륭한 재사용입니다. 이카루스는 마침내 필요한 곳입니다."
.이전의 노력에서와 마찬가지로, Fermilab 물리학 자들은 고 에너지 양성자를 대상으로 폭파시켜 강렬한 뮤온 중성미자 광선을 생성 할 것입니다. 중성미자는 Fermilab의 프레리 캠퍼스 아래 3 개의 탐지기를 촬영할 것입니다. 중성미자 소스에서 110 미터에서 현재 건설중인 112 톤 액체 아르곤 탐지기 인 짧은 기저선 중성미자 탐지기에 앉아 있습니다. 소스에서 470 미터에서 2015 년 이래로 운영 된 170 톤 액체 아르곤 탐지기 인 Microboone이 있습니다. 3 개의 탐지기 중 가장 큰 이카루스 자체는 600 미터 떨어져 있습니다.
이 3- 수원 설정은 LSND 및 Miniboone 실험에서 가장 큰 약점을 해결해야합니다. 둘 다 중성미자 공급원으로부터 고정 거리에서 단일 검출기를 사용하고 본질적으로 전자 중성미자를 뮤온 중성미자 빔에 계산하여 예상치 못한 외관을 뮤온에서 멸균으로 전자 유형으로 발동하는 것으로 기인했다. 그들은 광자와 같은 외부 입자가 연구자들이 전자 중성미자를 착각 한 가짜 사건을 일으킬 가능성을 배제 할 수 없었습니다. 3 개의 탐지기를 사용하면 물리학자가 선의의 중성미자 진동을 위해서와 마찬가지로 전자 중성미자의 수가 소스와의 거리에 따라 증가하는지 확인할 수 있습니다.
Parke는 짧은 거리 진동의 경우를 위해 사례를 정리하기 위해서는 두 번째 보완적인 측정을 수행해야한다고 Parke는 말합니다. 몇 개의 뮤온 중성미자가 멸균 중성미자로 진동하고 전자 중성미자로 진동하면 더 많은 것이 멸균 형태로 진동하고 완전히 사라져야합니다. Parke는“무온 중성미자가 동시에 사라지는 것을 보지 못하면 멸균 중성미자의 중심부에 단검입니다.
그러나 각 탐지기에서 Muon Neutrinos를 계산하는 것만 큼 간단하지는 않습니다. 더 높은 에너지 중성미자는 낮은 에너지보다 느리게 진동하므로 물리학 자들은 각 검출기에서 Muon Neutrinos의 에너지 스펙트럼을 측정하여 모양이 올바른 방식으로 변하는지 여부를 확인해야합니다. 그곳에서 액체 아르곤 탐지기의 중성미자 에너지를 집계하는 능력이 시작되는 곳입니다.
실험자들은 국제 1 억 달러 프로그램이 채석장을 찾게 될지 여부에 대해 다른 직감을 가지고 있습니다. Conrad는“데이터는 멸균 중성미자가있는 모델을 많이 선호합니다. 그러나 회의론자 인 Zeller는 LSND와 Miniboone의 힌트가 기존의 설명을 가질 수 있다고 경고합니다. "무슨 말을 하는가? 당신이 당신의 뒤에 발굽이 들리는 소리가 들리면 아마도 말이 있고 얼룩말이 아닌 말 일 것입니다."
그녀는 회의적이지만 Schellman은 시간과 중성미자가 예상보다 낯선 것으로 판명 되었기 때문에 멸균 중성미자를 쓰는 것을 망설입니다. "나는 중성미자 진동이 그릇이라고 생각했다"고 그녀는 말했다. "나는 판단을 보류하고있다."
