Experimentul „DUNE”: Cum arată și cum funcționează tunelul de 1.300 km menit să descopere dimensiunile ascunse ale Universului

O nouă instalație subterană denumită „DUNE”, care va accelera particule pe o distanță de aproximativ 1.300 de kilometri între Illinois și Dakota de Sud, ar putea dezvălui dimensiunile ascunse ale Universului, sugerează o nouă cercetare.

Timp de mai bine de un secol, oamenii de știință au fost fascinați de posibilitatea ca dimensiuni spațiale ascunse, minuscule, să influențeze fizica lumii noastre tridimensionale familiare. Cu toate acestea, în ciuda deceniilor de căutări experimentale, nu au existat încă dovezi concrete ale acestor dimensiuni suplimentare. Acum, un studiu recent propune o modalitate de a avansa în această căutare: utilizarea viitorului Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) pentru a sonda aceste dimensiuni ascunse prin comportamentul neutrinilor, notează Live Science.

Neutrinii sunt printre cele mai evazive particule ale Universului, primind porecla de „particule fantomă”. Există trei tipuri cunoscute - sau „sortimente” - de neutrini, fiecare având o masă de miliarde de ori mai mică decât cea a unui electron. Aceste particule sunt remarcabile prin capacitatea lor de a se transforma - sau de a oscila - în sortimente diferite în timp ce călătoresc prin spațiu, chiar și fără a interacționa cu alte particule.

Studiul neutrinilor cu DUNE

DUNE este un viitor experiment de oscilație a neutrinilor cu sediul în Illinois și Dakota de Sud. „În acest experiment, neutrinii sunt generați de un accelerator de particule de la Fermilab [în Illinois], parcurg o distanță de 1.300 de kilometri și sunt observați cu ajutorul unui detector subteran masiv în Dakota de Sud”, a declarat Mehedi Masud, profesor la Universitatea Chung-Ang din Coreea de Sud și coautor al studiului, prin e-mail, pentru Live Science.

Configurația experimentală este ideală pentru studierea oscilațiilor neutrinilor. Neutrinii creați în coliziunile de la Fermilab - în principal neutrini muonici (unul dintre cele trei tipuri) - vor traversa Pământul pentru a ajunge la detectorul din Dakota de Sud. Pe parcurs, se așteaptă ca unele dintre aceste particule să se transforme în celelalte două sortimente: neutrini electroni și neutrini tau.

Observând modul în care evoluează diferitele tipuri în timpul călătoriei lor, oamenii de știință de la DUNE speră să dezlege mai multe întrebări fundamentale din fizica neutrinilor, cum ar fi ierarhia maselor neutrinilor, parametrii exacți care guvernează oscilația și rolul pe care neutrinii l-ar fi putut juca în crearea dezechilibrului materie-antimaterie în univers.

Explorarea dimensiunilor suplimentare cu ajutorul oscilațiilor neutrinilor

Studiul, publicat în noiembrie în Journal of High Energy Physics, propune că enigmaticul comportament al neutrinilor ar putea fi explicat dacă, pe lângă cele trei dimensiuni cunoscute ale spațiului, ar exista dimensiuni spațiale suplimentare la scara micrometrilor (milionimi de metru). Deși minuscule în raport cu standardele cotidiene, aceste dimensiuni sunt remarcabil de mari în comparație cu scara femtometrului (o cvadrilionime de metru) tipică particulelor subatomice.

„Teoria dimensiunilor suplimentare mari, propusă pentru prima dată de Arkani-Hamed, Dimopoulos și Dvali în 1998, sugerează că spațiul nostru familiar tridimensional este încorporat într-un cadru supradimensional” de patru sau mai multe dimensiuni, a explicat Masud. „Motivația principală pentru această teorie este de a aborda motivul pentru care gravitația este mult mai slabă decât celelalte forțe fundamentale din natură. În plus, teoria dimensiunilor suplimentare mari oferă o posibilă explicație pentru originea maselor minuscule ale neutrinilor, un fenomen care rămâne neexplicat în cadrul modelului standard al fizicii particulelor”.

Potrivit autorilor studiului, dacă există dimensiuni suplimentare, acestea ar putea modifica subtil probabilitățile de oscilație a neutrinilor în moduri detectabile de DUNE. Aceste distorsiuni ar putea apărea ca o ușoară suprimare a probabilităților de oscilație așteptate și ca mici „zvâcniri” oscilatorii la energii mai mari ale neutrinilor.

Simularea datelor DUNE pentru căutarea dimensiunilor suplimentare

În acest studiu, autorii au luat în considerare cazul unei singure dimensiuni suplimentare. Efectele unei dimensiuni suplimentare sunt determinate în primul rând de dimensiunea acesteia. Această dependență creează o oportunitate pentru cercetători de a investiga prezența unor astfel de dimensiuni prin analizarea modului în care neutrinii interacționează cu materia din detector. Dimensiunea suplimentară influențează probabilitățile de oscilație ale neutrinilor, care, la rândul lor, pot dezvălui indicii valoroase cu privire la existența și proprietățile sale potențiale.

„Am simulat mai mulți ani de date cu neutrini de la experimentul DUNE folosind modele computaționale”, a declarat Masud. „Analizând atât efectele de energie joasă, cât și cele de energie înaltă ale dimensiunilor suplimentare mari asupra probabilităților de oscilație a neutrinilor, am evaluat statistic capacitatea DUNE de a limita dimensiunea potențială a acestor dimensiuni suplimentare, presupunând că acestea există în natură.”

Analiza echipei sugerează că experimentul DUNE va fi capabil să detecteze o dimensiune suplimentară dacă dimensiunea acesteia este de aproximativ o jumătate de micron (o milionime dintr-un metru). DUNE este în prezent în construcție și se așteaptă să înceapă colectarea datelor în jurul anului 2030. După mai mulți ani de funcționare, datele acumulate vor fi probabil suficiente pentru o analiză cuprinzătoare a teoriei dimensiunilor suplimentare mari. Echipa se așteaptă ca rezultatele acestei analize să fie disponibile peste aproximativ un deceniu.

În plus, ei cred că, în viitor, combinarea datelor de la DUNE cu alte metode experimentale - cum ar fi experimentele de coliziune sau observațiile astrofizice și cosmologice - va spori capacitatea de a investiga proprietățile dimensiunilor suplimentare cu o mai mare precizie și acuratețe.

„În viitor, încorporarea contribuțiilor de la alte tipuri de date ar putea strânge și mai mult aceste limite superioare, făcând mai plauzibilă descoperirea unor dimensiuni suplimentare mari, în cazul în care acestea ar exista în natură”, a declarat Masud. „Dincolo de faptul că reprezintă o cale interesantă pentru noua fizică, prezența potențială a dimensiunilor suplimentare mari ar putea, de asemenea, ajuta DUNE să măsoare necunoscutele standard din fizica neutrinilor cu mai multă precizie, fără influența efectelor necunoscute.”