小时候，你可能曾试图在自家后院挖个洞到达中国。显然，这并没有发生。但挖出大片土地可以带来丰厚的回报。LBNF-DUNE项目的科学家、工程师和建筑工人没有到达另一个国家，而是挖出了岩石，实现了开创性的科学研究。

更具体地说，他们从位于南达科他州莱德的桑福德地下研究设施中挖掘出了80万吨岩石。这次挖掘是多年来建设迄今为止规模最大、最先进、最全面的中微子研究项目的重要一步。

他们挖掘出的洞穴将容纳一个巨大的粒子探测器及其配套设备。美国能源部科学办公室与来自35多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，以帮助解答物理学中一些最大的问题。

神秘粒子

中微子是一种亚原子粒子，非常小，其名称在意大利语中意为“小中性粒子”。近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，就会存在中微子。1956年，科学家首次探测到中微子。自那时起，中微子一直让科学家感到惊讶。

最大的意外之一是中微子具有质量。对于大多数物体来说，具有质量是必然的。但是，根据粒子物理学的标准模型(我们目前描述宇宙的最佳模型)，中微子不应该具有质量。物理学家仍在试图弄清楚它们的质量是多少，以及它们为什么会有质量。

另一个令人惊奇的发现是，中微子有三种不同的类型，粒子在运动过程中会在不同类型之间切换。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，这一特性可能是解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东西?

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。其中之一就是物质比反物质多。根据我们目前的理解，大爆炸之后，物质和反物质的数量应该是相等的。(反物质粒子与普通物质相同，只是电荷相反。)

但当物质和反物质相遇时，它们会相互湮灭。因此，在宇宙诞生之初难以想象的短暂瞬间，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微量物质导致了宇宙中其他一切的形成。

科学家提出了许多理论来解释这种不平衡现象。其中一种可能性是，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将从伊利诺伊州美国能源部费米实验室国家加速器实验室向南达科他州发送一股中微子。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，科学家可能会发现导致这种古老错位的差异。

LBNF-DUNE还将为物理学中的其他重大问题提供见解。一些恒星在生命终结时会爆炸。当发生这种情况时，中微子是它们释放的第一批粒子。在此过程中，这些爆炸的恒星(称为超新星)会形成包括碳、氧和铁等生命必需元素。通过探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爆炸过程。

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(由其他类型的粒子组成的粒子)。目前尚不清楚质子是否根本不会分解，或者它是否非常罕见，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，告诉我们是否曾经存在过一种基本力，或者我们现在拥有的四种基本力是否自大爆炸以来就存在。它还可以表明宇宙是否会永远存在或有一个终点。如果这个过程存在，LBNF/DUNE的设计可能会探测到它。

捕捉鬼魂

中微子之所以如此有趣，也因为其难以研究。中微子最引人注目的一个方面是它们几乎不与其他粒子相互作用。因此，它们可以在太空中传播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探测到。

为了解决这个问题，LBNF-DUNE将使用七层楼高的大型探测器。每个探测器将有17,000吨液态氩。如此大量的液体使科学家能够探测到尽可能多的中微子的可能性最大化。远探测器(位于南达科他州)将位于地下约一英里处。与费米实验室相比，这个距离将它置于正确的位置，并阻挡了探测器与其它宇宙粒子的接触。

仅挖掘工作就花了三年时间。团队必须拆解设备，将其移至地下深处，然后重新组装。在挖掘洞穴的过程中，团队将80万吨岩石移至地面，并将其存放在以前是矿井的地方。

现在挖掘工作已经完成，LBNF-DUNE团队正在进入下一步。目前，他们正在桑福德地下研究设施安装远探测器。他们预计在2028年完成施工并开始运行探测器。然后，该团队将继续在费米实验室安装近探测器。

LBNF/DUNE的发射将开启我们对于中微子和整个宇宙的更多了解的新时代。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：