Οι φυσικοί της Fermilab παρουσιάζουν τα επανασχεδιασμένα σχέδιά τους για το γιγάντιο πείραμα με νετρίνο

Πριν από πέντε μήνες, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) ζήτησε από φυσικούς στο μοναδικό εργαστήριο των Ηνωμένων Πολιτειών που ειδικεύεται στη σωματιδιακή φυσική να κόψουν τα σχέδια για το εμβληματικό πείραμά τους 1,9 δισεκατομμυρίων δολαρίων για την επόμενη δεκαετία σε πιο προσιτά κομμάτια. Χθες, αξιωματούχοι από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab) στη Μπαταβία του Ιλινόις, παρουσίασαν το αναθεωρημένο σχέδιό τους για το πρώτο στάδιο του πειράματος νετρίνο μακράς βάσης (LBNE) σε μια ομοσπονδιακή συμβουλευτική ομάδα. Η προτιμώμενη επιλογή του σχεδίου θα κόστιζε 789 εκατομμύρια δολάρια—αλλά οι αμερικανοί σχεδιαστές λένε ότι θα μπορούσαν να βελτιώσουν το έργο ουσιαστικά εάν οι ξένες κυβερνήσεις είναι πρόθυμες να επενδύσουν άλλα 135 εκατομμύρια δολάρια.

"Νομίζω ότι είμαστε όλοι ευχαριστημένοι με το έργο που έχει γίνει για να καταλήξουμε σε μια καλύτερη προσέγγιση που δεν είναι τόσο ακριβή όσο η πρώτη πρόταση", λέει ο William Brinkman, διευθυντής του Γραφείου Επιστήμης του DOE, παρευρέθηκε στην παρουσίαση σε μια συνάντηση της Συμβουλευτικής Ομάδας Φυσικής Υψηλής Ενέργειας στο Rockville του Μέριλαντ. Ο Young-Kee Kim, αναπληρωτής διευθυντής της Fermilab και πρόεδρος της Διευθύνουσας Επιτροπής Αναδιαμόρφωσης του LBNE, και οι συνάδελφοί του υπέβαλαν γραπτή αναφορά στον Brinkman στις 7 Αυγούστου.

Τα νετρίνα είναι ίσως τα λιγότερο κατανοητά από τα γνωστά θεμελιώδη κομμάτια της ύλης. Έρχονται σε τρεις τύπους - νετρίνα ηλεκτρονίων, νετρίνα μιονίων και νετρίνα ταυ - που μπορούν να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο καθώς τα σωματίδια φερμουάρ κατά μήκος με ταχύτητα σχεδόν φωτός. Το LBNE, τουλάχιστον όπως είχε αρχικά σχεδιαστεί, θα έκανε οριστικές μετρήσεις αυτών των «ταλαντώσεων νετρίνων». Θα αναζητούσε επίσης στοιχεία ότι τα νετρίνα και τα αντινετρίνα ταλαντώνονται διαφορετικά, ένα σενάριο που ονομάζεται παραβίαση CP που θα μπορούσε να εξηγήσει πώς το σύμπαν εξελίχθηκε ώστε να περιέχει πολύ περισσότερη ύλη από την αντιύλη. Εάν κατασκευαστεί βαθιά υπόγεια, ο ανιχνευτής LBNE θα μπορούσε επίσης να αναζητήσει σημάδια ότι τα πρωτόνια διασπώνται, όπως προβλέπεται από ορισμένες θεωρίες, και θα μπορούσε να ανιχνεύσει νετρίνα από σουπερνόβα και από κοσμικές ακτίνες που χτυπούν την ατμόσφαιρα.

Η Kim παρουσίασε το νέο σχέδιο για το πρώτο στάδιο του LBNE. Η προτιμώμενη επιλογή απαιτεί την κατασκευή μιας νέας γραμμής δέσμης στο Fermilab για την εκτόξευση νετρίνων 1300 χιλιομέτρων μέσω της Γης σε έναν ανιχνευτή σωματιδίων στην επιφάνεια στο εγκαταλελειμμένο χρυσωρυχείο Homestake στο Lead της Νότιας Ντακότα. Αυτός ο ανιχνευτής θα περιέχει 10.000 τόνους παγωμένου υγρού αργού. (Το αρχικό σχέδιο LBNE απαιτούσε έναν μεγαλύτερο ανιχνευτή 34.000 τόνων θαμμένο σε βάθος 1480 μέτρων στο Homestake και έναν μικρότερο "near detector" στο Fermilab.)

Η διευθύνουσα επιτροπή εξέτασε εναλλακτικά σχέδια για να συνεχίσει να χρησιμοποιεί την υπάρχουσα δέσμη νετρίνων της Fermilab, η οποία εκτοξεύει νετρίνα 735 χιλιόμετρα στο ορυχείο Soudan και 810 χιλιόμετρα σε έναν ανιχνευτή επιφάνειας στο Ash River, και τα δύο στη Μινεσότα. Αναβαθμίζοντας την τρέχουσα δέσμη, οι ερευνητές εκτίμησαν ότι θα μπορούσαν να εξοικονομήσουν αρκετά χρήματα για να αντικαταστήσουν τους υπάρχοντες ανιχνευτές, κατασκευάζοντας είτε έναν ανιχνευτή υγρού αργού 30.000 τόνων στον ποταμό Ash είτε έναν ανιχνευτή 15.000 τόνων σε βάθος 713 μέτρων στο Σουντάν. Αλλά η διευθύνουσα επιτροπή αποφάσισε τελικά ότι η κατασκευή στο Homestake θα ήταν ένα καλύτερο πρώτο βήμα προς ένα πιο πλούσιο μακροπρόθεσμο πρόγραμμα, λέει ο Kim.

Ορισμένοι φυσικοί έχουν εκφράσει σκεπτικισμό σχετικά με την τοποθέτηση του νέου ανιχνευτή στην επιφάνεια. Εκεί, οι παρεμβολές από τις κοσμικές ακτίνες και άλλες πηγές ακτινοβολίας υποβάθρου θα βάλουν κάθε σήμα από τη διάσπαση πρωτονίων ή την έκρηξη σουπερνόβα. Οι ερευνητές θα εξακολουθούσαν να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν την άφιξη παλμών νετρίνων από το Fermilab χρησιμοποιώντας συστήματα χρονισμού, αλλά οι μετρήσεις θα ήταν λιγότερο ευαίσθητες από ό,τι θα ήταν υπόγειες.

Οι υπεύθυνοι της Fermilab πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να λύσουν αυτό το πρόβλημα, ωστόσο, εάν καταφέρουν να κερδίσουν άλλα 135 εκατομμύρια δολάρια. Αυτό θα τους επέτρεπε να κατασκευάσουν τον ανιχνευτή 10.000 τόνων υπόγεια στο Homestake. Και ελπίζουν ότι η Ευρώπη, η Ινδία και άλλοι χρηματοδοτικοί οργανισμοί των ΗΠΑ θα μπορούσαν να αυξήσουν αυτό το ποσό, λέει ο Κιμ. Η Ινδία έχει εκφράσει ενδιαφέρον για συνεργασία, προσθέτει.

Η προσέλκυση επιπλέον χρημάτων μπορεί να μην είναι τραβηγμένη. Οι Ευρωπαίοι φυσικοί έχουν ήδη τα δικά τους πειράματα νετρίνων στα οποία εκτοξεύουν νετρίνα 732 χιλιόμετρα από το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής CERN κοντά στη Γενεύη, στην Ελβετία, στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας κάτω από τα Απέννινα Όρη. Και ορισμένοι Ευρωπαίοι ερευνητές θα ήθελαν να φτιάξουν ένα μεγαλύτερο πείραμα, ίσως να πυροβολούν νετρίνα 2300 χιλιόμετρα βόρεια στο ορυχείο Pyhäsalmi στην κεντρική Φινλανδία.

Αλλά η πληρωμή για αυτή τη νέα υποδομή θα μπορούσε να είναι δύσκολη, επειδή το CERN έχει ήδη δεσμευτεί για δαπανηρές αναβαθμίσεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του, τον μεγαλύτερο θρυμματιστή ατόμου στον κόσμο. Με τέτοιες εργασίες στο πιάτο του, το CERN θα δυσκολευόταν να εντάξει ένα νέο μεγάλο έργο στον ετήσιο προϋπολογισμό του 1,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων, λένε πολλοί φυσικοί. Έτσι, ένα πολύ φθηνότερο buy-in στο LBNE μπορεί να είναι μια ελκυστική επιλογή. «Η ιδέα ότι με μια συνεισφορά από την Ευρώπη [ο ανιχνευτής LBNE] θα μπορούσε να περάσει στην παρανομία και να είναι ανταγωνιστικός με άλλες προτάσεις, είμαι βέβαιος ότι θα προσελκύσει το ενδιαφέρον στην Ευρώπη», λέει ο Sergio Bertolucci, διευθυντής έρευνας του CERN.

Αλλά προτού η Ευρώπη σκεφτεί να εισέλθει, οι Ηνωμένες Πολιτείες θα πρέπει να δεσμευτούν στο έργο, λέει ο Bertolucci. Δεν είναι ακόμα σαφές ότι οι Ηνωμένες Πολιτείες θα το κάνουν. "Σκεφτόμαστε πώς να εντάξουμε [το νέο σχέδιο] στον προϋπολογισμό μας στο μέλλον", λέει ο Brinkman. "Υπάρχουν πολλές απαιτήσεις για τον προϋπολογισμό της φυσικής υψηλής ενέργειας."

Το νέο σχέδιο θα υποβληθεί στην πρώτη του αναθεώρηση DOE στα τέλη Οκτωβρίου, λέει ο Kim. Εάν περάσει, οι ερευνητές θα λάβουν το πράσινο φως για τις λεγόμενες εργασίες μηχανικού σχεδιασμού. Εάν η DOE τελικά εγκρίνει την προσθήκη του έργου στο ετήσιο αίτημα του προϋπολογισμού προς το Κογκρέσο —και οι νομοθέτες εγκρίνουν τη χρηματοδότηση— οι αξιωματούχοι του εργαστηρίου ελπίζουν να ξεκινήσουν την κατασκευή το 2015 και να ολοκληρώσουν το πείραμα και να λειτουργήσει το 2021 ή το 2022.