深挖中微子研究：LBNF-DUNE项目推进，开挖80万吨岩石

当你还是个孩子的时候，你可能试图在你的后院挖一个洞来到达中国。显然，这并没有发生。但挖掘大量土地可能会非常有成效。科学家、工程师和建筑工人没有到达另一个国家，而是LBNF-DUNE项目挖掘岩石以实现突破性的科学。

更具体地说，来自南达科他州利德市桑福德地下研究设施。这次挖掘是建立迄今为止最大、最先进、最全面的中微子研究项目的多年进程中向前迈出的重要一步。

他们挖掘的洞穴将容纳一个巨大的粒子以及配套设备。美国能源部科学办公室与来自超过 35 个国家的合作伙伴一起支持长基线中微子设施 (LBNF-DUNE) 的深层地下中微子实验，以帮助回答一些物理学的最大问题。

神秘粒子

中微子是它们是如此之小，以至于它们的名字在意大利语中的意思是“小中性的”。大约 100 年前，物理学家推测，当粒子之间的某些相互作用似乎“缺失”能量时，中微子就存在。 1956年，科学家首次探测到中微子。从那时起，中微子不断给科学家带来惊喜。

最大的惊喜之一是中微子具有质量。对于大多数物体来说，具有质量是理所当然的。但是，根据粒子物理学标准模型（我们目前描述宇宙的最佳模型），中微子不应该有质量。物理学家仍在试图弄清楚它们的质量是多少，以及它们是如何拥有质量的。

另一个主要的惊喜是，存在三种不同类型的中微子，并且粒子在传播时会在类型之间切换。事实上，这种转变是物理学家对它们如此感兴趣的主要原因之一。科学家认为这一特性可能是回答物理学中一个重大问题的关键：为什么有东西而不是没有？

无法解释的物理学

正如中微子的行为所表明的那样，粒子物理学的标准模型并不能完全解释我们宇宙的一些重要方面。其中之一是物质比反物质更多这一事实。根据我们目前的理解，大爆炸之后应该存在等量的物质和反物质。 （反物质粒子与它们的普通物质伙伴相同，只是它们具有相反的电荷。）

但当物质和反物质相遇时，它们就会互相湮灭。因此，在宇宙诞生之初难以想象的短暂时刻的某个地方，一定存在着更普通的物质。物质与反物质相互作用后留下的极小量导致了宇宙中的其他一切。

科学家有很多理论来解释这种不平衡。一种可能性是它与中微子及其反物质伙伴有关。

为了研究中微子在传播过程中如何改变类型，LBNF-DUNE 将从美国能源部位于伊利诺伊州的费米国家加速器实验室向南达科他州发送中微子流。在粒子旅程的开始和结束时，探测器将测量中微子和反中微子的类型。通过比较两种粒子改变类型的速率，科学家可能会发现一种差异，从而解释了这种古老的错位。

LBNF-DUNE 还将提供对物理学中其他主要问题的见解。当一些恒星走到生命的尽头时，它们就会爆炸。当这种情况发生时，中微子是它们释放的第一个粒子。在此过程中，这些爆炸的恒星（称为超新星）形成了生命必需的元素，如碳、氧和铁。通过检测这些事件中的中微子，LBNF-DUNE 可以让科学家捕捉到超新星的活动。

DUNE 的探测器还设计用于探测其他粒子。据我们所知，质子是唯一一种在自然界中不会分解的复合粒子（由其他类型粒子组成的粒子）。目前还不清楚质子是否根本不分解，或者质子是否非常罕见，以至于科学家从未发现过它。

如果质子确实分解，这个过程可能会提供线索，以确定是否曾经存在过一种基本力，或者自大爆炸以来我们今天是否存在四种基本力。它还可以表明宇宙是否会永远持续下去或者有一个终点。如果此过程存在，LBNF/DUNE 旨在潜在地检测它。

捕捉鬼魂

中微子的一些有趣之处也使得它们难以研究。中微子最引人注目的方面之一是它们几乎不与其他粒子相互作用。因此，它们可以在太空中旅行很远的距离，而不会受到宇宙物体的影响。这也意味着它们很难被发现。

为了解决这个问题，LBNF-DUNE 将使用巨大的七层楼高的探测器。每个探测器将拥有17,000吨液氩。如此大量的液体使科学家们检测到尽可能多的中微子的可能性最大化。远处的探测器——南达科他州的探测器——将位于地下约一英里处。与费米实验室相比，这个距离使其处于正确的位置，并阻止探测器与其他宇宙粒子接触。

光是发掘就花了三年时间。该团队必须拆卸设备，将其移至地下深处，然后重新组装。当他们挖掘洞穴时，团队将 80 万吨岩石移至地表，并将其沉积在以前是矿井的区域。

现在挖掘已经完成，LBNF-DUNE 团队正在继续下一步。目前，他们正在桑福德地下研究设施安装远距离探测器。他们预计将于 2028 年完成探测器的建造并开始运行。然后该团队将继续在费米实验室安装近距探测器。

LBNF/DUNE的推出将开启理解新时代并更多地了解整个宇宙。