Προσπαθώντας να παραμείνουν μπροστά από τον ανταγωνισμό, οι Ηνωμένες Πολιτείες μειώνουν το προβληματικό πείραμα νετρίνων 3 δισεκατομμυρίων δολαρίων
Παλεύοντας με υπερβάσεις κόστους, το Υπουργείο Ενέργειας (DOE) αποφάσισε να δημιουργήσει το επόμενο μεγάλο πείραμα φυσικής σωματιδίων των Ηνωμένων Πολιτειών σε δύο φάσεις, είπαν αξιωματούχοι στους φυσικούς αυτόν τον μήνα. Η απόφαση σημαίνει ότι το μεγάλο έργο - στην πραγματικότητα δύο αλληλένδετες προσπάθειες που ονομάζονται Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) και Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) - δεν θα ολοκληρωθεί στις αρχικές του προδιαγραφές μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 2030 αντί για τα τέλη αυτής της δεκαετίας. και ότι το ήδη αυξανόμενο κόστος του θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο.
Ωστόσο, το προσαρμοσμένο σχέδιο θα πρέπει να ξεκινήσει μια λεπτή έκδοση του LBNF/DUNE ήδη από το 2029, λένε οι ερευνητές. Με αυτό το χρονοδιάγραμμα, το πείραμα έχει ακόμα την ευκαιρία να νικήσει έναν αντίπαλο στην Ιαπωνία που ονομάζεται Hyper-Kamiokande (Hyper-K) σε μια βασική μέτρηση νετρίνων, λέει ο Jim Siegrist, αναπληρωτής διευθυντής της DOE για τη φυσική υψηλής ενέργειας, ο οποίος παρουσίασε το σχέδιο μέσω βίντεο. στις 16 Μαρτίου κατά τη διάρκεια μιας άσκησης κοινοτικού σχεδιασμού γνωστή ως διαδικασία Snowmass. "Το DOE πιστεύει ότι υπάρχει ακόμα μια ευκαιρία για το LBNF/DUNE να έρθει πρώτο", έγραψε ο Siegrist σε ένα email.
Οι φυσικοί που συμμετείχαν στο έργο πρότειναν την αλλαγή στην τακτική, λέει η Regina Rameika, φυσικός νετρίνων στο Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) και συν-εκπρόσωπος της 1400-μελούς συνεργασίας DUNE. «Είμαστε όλοι στην ίδια σελίδα για το τι έρχεται πρώτο και τι έρχεται δεύτερο», λέει. Αλλά το εκτεταμένο πρόγραμμα παρουσιάζει μια πρόκληση, λέει η Inés Gil-Botella, φυσικός DUNE στο Κέντρο Ενέργειας, Περιβαλλοντικής και Τεχνολογικής Έρευνας της Ισπανίας. «Πρέπει να εργαστούμε σκληρότερα για να μειώσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο τις καθυστερήσεις μεταξύ της πρώτης και της δεύτερης φάσης», λέει. Το αναθεωρημένο σχέδιο καθιστά σαφές ότι η τρέχουσα εκτίμηση κόστους των 3 δισεκατομμυρίων δολαρίων —σχεδόν διπλάσια από την αρχική— ισχύει τώρα μόνο για την πρώτη φάση.
Σχεδόν χωρίς μάζα και σπάνια αλληλεπιδρώντας με άλλη ύλη, τα νετρίνα διατίθενται σε τρεις τύπους—ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ—ανάλογα με τον τρόπο δημιουργίας τους. Ο ένας τύπος μπορεί να μεταμορφωθεί σε έναν άλλο καθώς τα σωματίδια κλείνουν με φερμουάρ σχεδόν με ταχύτητα φωτός. Για να μελετήσουν αυτές τις ταλαντώσεις νετρίνων, οι φυσικοί μπορούν να εκτοξεύσουν μια δέσμη νετρίνων μιονίων που δημιουργείται με έναν επιταχυντή σωματιδίων σε έναν τεράστιο ανιχνευτή εκατοντάδων χιλιομέτρων μακριά, ο οποίος μετράει τα νετρίνα μιονίων που φτάνουν — συν τα νετρίνα ηλεκτρονίων που έχουν εμφανιστεί στην πορεία.
Το LBNF/DUNE θα εκτόξευε μια έντονη δέσμη μιονικών νετρίνων από το Fermilab σε έναν ανιχνευτή 1300 χιλιόμετρα μακριά στο εγκαταλελειμμένο χρυσωρυχείο Homestake στο Lead της Νότιας Ντακότα. Γεμάτος με παγωμένο υγρό αργό, ο νέος ανιχνευτής DUNE θα καταγράψει τις συγκρούσεις των νετρίνων και των ατομικών πυρήνων με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια. Εκτός από την τοποθέτηση της θεωρίας των φυσικών για τις ταλαντώσεις των νετρίνων στο τεστ οξέος, θα αναζητούσε παραβίαση της ισοτιμίας φορτίου (CP), μια ασυμμετρία μεταξύ των ταλαντώσεων των νετρίνων και των αντινετρίνων που θα μπορούσε να εξηγήσει πώς το σύμπαν δημιούργησε περισσότερη ύλη παρά αντιύλη.
Μετά από καυγάδες για μια δεκαετία, οι αμερικανοί φυσικοί συσπειρώθηκαν γύρω από το πείραμα το 2013 στο προηγούμενο Snowmass. Ένα χρόνο αργότερα, η Πίνακας Προτεραιοποίησης του Έργου Σωματιδικής Φυσικής του DOE (P5) το ονόμασε τη νέα ναυαρχίδα εγχώριας προσπάθειας. Το 2015, η DOE αγκάλιασε το όραμα P5:ένα διεθνώς χρηματοδοτούμενο πείραμα που θα είχε έναν ανιχνευτή υγρού αργού με μάζα στόχο τουλάχιστον 40.000 τόνους, μια δέσμη νετρίνων που τροφοδοτείται από μια δέσμη πρωτονίων πολλαπλών μεγαβάτ και έναν μικρότερο ανιχνευτή στο Fermilab για την παρακολούθηση της εξερχόμενης δέσμη. Θα κόστιζε λιγότερο από 1,9 δισεκατομμύρια δολάρια και θα είχε ολοκληρωθεί έως το 2028, εκτιμά η DOE. Ωστόσο, η ανακαίνιση και η εκσκαφή στο ορυχείο συνέβαλαν στην αύξηση του κόστους και στην καθυστέρηση της προόδου.
Τώρα, ο Siegrist λέει ότι το έργο θα ξεκινήσει μικρότερο, με έναν ανιχνευτή στη Νότια Ντακότα που θα περιέχει μόνο δύο από τις τέσσερις προγραμματισμένες μονάδες αργού, με συνδυασμένη μάζα στόχο όχι μεγαλύτερη από 24.000 τόνους. Η ισχύς της δέσμης πρωτονίων στο Fermilab θα περιοριστεί στα 1,2 μεγαβάτ και ο ανιχνευτής στο εργαστήριο θα είναι απλούστερος. Μετά την ολοκλήρωση της πρώτης φάσης, η DOE θα μπορούσε να επιδιώξει τον μεγαλύτερο ανιχνευτή και την καλύτερη δέσμη σε μια αναβάθμιση που πιθανόν να κοστίσει εκατοντάδες εκατομμύρια δολάρια.
Με αυτήν ακριβώς την πρώτη φάση, το LBNF/DUNE θα πρέπει να μπορεί να μετρήσει την παραβίαση CP. Αλλά οι φυσικοί με το Hyper-K της Ιαπωνίας λένε ότι θα αρχίσουν να λαμβάνουν δεδομένα το 2028, ένα χρόνο πριν από το LBNF/DUNE. Το Hyper-K θα αποτελείται από μια υπόγεια κυλινδρική δεξαμενή ύψους 70 μέτρων και γεμάτη με 260.000 τόνους υπερκαθαρού νερού. Περίπου 40.000 φωτοσωλήνες θα συλλάβουν τις χαρακτηριστικές λάμψεις φωτός που δημιουργούνται όταν τα νετρίνα εκτοξεύονται από το Ιαπωνικό Ερευνητικό Συγκρότημα Επιταχυντή Πρωτονίων στο Τοκάι, 295 χιλιόμετρα ανατολικά, αλληλεπιδρούν με το νερό.
Εργάτες στην Ιαπωνία έχουν ήδη ξεκινήσει ανασκαφές, λέει ο Μάθιου Μάλεκ, φυσικός Hyper-K στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ. Δεδομένης της σχετικά συντηρητικής προσέγγισης της Ιαπωνίας στον προγραμματισμό, αυτή η ημερομηνία είναι πιθανό να διαρκέσει, λέει. «Σε αυτό το στάδιο, δεν υπάρχει πραγματικά καμία πιθανότητα το DUNE να ενεργοποιηθεί πριν από το Hyper-K», λέει. Αλλά ο Marvin Marshak, ένας φυσικός DUNE στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα, στις Δίδυμες Πόλεις, δεν θα παραχωρήσει τον αγώνα μπροστά από το χρόνο. "Ένα πράγμα που έμαθα τα τελευταία 50-μερικά χρόνια ότι το κάνω αυτό είναι να μην υπερεκτιμώ τον ανταγωνισμό σας", λέει.
Το Hyper-K και το DUNE θα αναζητήσουν επίσης νετρίνα από εκρήξεις σουπερνόβα και σημάδια ότι τα πρωτόνια μπορούν να διασπαστούν. Ο απώτερος στόχος του DUNE είναι να διερευνήσει το μοντέλο των φυσικών τριών τύπων νετρίνων με αρκετή ακρίβεια για να πει αν διασπάται σε κάποιο επίπεδο, κάτι που θα μπορούσε να είναι απόδειξη νέων σωματιδίων και δυνάμεων, λέει ο Gil-Botella. Για τεχνικούς λόγους, η Hyper-K θα δυσκολευτεί να το κάνει, λέει.
Το DOE ζήτησε από τους φυσικούς να σταθμίσουν την επιστημονική περίπτωση για τη δεύτερη φάση στη νέα διαδικασία Snowmass και την επακόλουθη ιεράρχηση του P5, δίνοντας δυνητικά στους σκεπτικιστές την ευκαιρία να αναρωτηθούν εάν το όλο έργο αξίζει το υψηλότερο κόστος. Ο Τάο Χαν, ένας θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ που έχει εμπλακεί στην οργάνωση του Snowmass, προβλέπει ότι οι αμερικανοί φυσικοί θα επαναλάβουν την υποστήριξή τους σε αυτό. "Θα έχουμε την υποστήριξη της κοινότητας για να πετύχουμε τον τελικό μας στόχο", λέει.
Ο Malek αναρωτιέται εάν το νέο σχέδιο είναι ο τρόπος της DOE να πει ότι το πρώτο στάδιο είναι το μόνο που θα χτίσει. «Όταν χτίζεις κάτι σε πολλαπλά στάδια, οι πιθανότητες να ξεπεράσεις το πρώτο στάδιο είναι πιο απίθανες παρά πιθανές», λέει. Η Mary Bishai, φυσικός DUNE στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven, διαβάζει τα πράγματα διαφορετικά:«Ο Τζιμ Σίγκριστ είπε «Πήγαινε στο Snowmass και έλα πίσω με ένα σχέδιο για την τρίτη και τέταρτη μονάδα ανιχνευτή.» Δεν είπε, «Τελειώσαμε. ''
Το ζήτημα έρχεται σε μια περίοδο ροής για το πρόγραμμα των Η.Π.Α. Το Fermilab, το μοναδικό ειδικό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων στις Ηνωμένες Πολιτείες, αναζητά νέο διευθυντή αφού ο Nigel Lockyer ανακοίνωσε τον Σεπτέμβριο του 2021 ότι θα παραιτηθεί—3 μήνες προτού η DOE αποτύχει το εργαστήριο στην ετήσια ανασκόπηση απόδοσης, αναφέροντας εν μέρει τα προβλήματα με το LBNF /ΑΜΜΟΛΟΦΟΣ. Και στις 31 Μαρτίου, ο Siegrist, 69 ετών, θα συνταξιοδοτηθεί μετά από 10 χρόνια που ηγείται του προγράμματος φυσικής υψηλής ενέργειας του DOE. Καθώς η σωματιδιακή φυσική των ΗΠΑ εισέρχεται σε ταραγμένα νερά, δεν είναι σαφές ποιος θα αναλάβει το τιμόνι.
