Λύση σε συμπαντικά μυστήρια από διεθνές πείραμα μελέτης των νετρίνων

Την απάντηση σε γρίφους που αφορούν στη γέννηση και στην εξέλιξη του σύμπαντος ελπίζουν πως θα βρουν οι επιστήμονες που συμμετέχουν στο πρότζεκτ DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), μέσα από τη μελέτη των ιδιοτήτων των νετρίνων. Το DUNE είναι ένα από σημαντικότερα πειράματα με αντικείμενο τα νετρίνα και θα ξεκινήσει στις ΗΠΑ το 2022, όταν αναμένεται να έχουν ολοκληρωθεί οι δύο πειραματικές διατάξεις που έχουν προγραμματισθεί για τη διεξαγωγή του – στο εργαστήριο Fermilab έξω από το Σικάγο και, σε απόσταση 1.300 χιλιομέτρων, στις εγκαταστάσεις του Sanford Lab στη Νότια Ντακότα.
Παρόλο που το DUNE θα φιλοξενηθεί στην άλλη πλευρά του Ατλαντικού, σε αυτό παίρνουν μέρος ερευνητές από 23 χώρες σε όλο τον κόσμο. Στόχος τους είναι να εξιχνιάσουν αρκετά από τα αινίγματα αναφορικά με τη συμπεριφορά των νετρίνων – στοιχειωδών σωματιδίων που έχουν πολύ μικρή μάζα και μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο.
Με αυτό τον τρόπο, αισιοδοξούν ότι θα ανακαλύψουν περισσότερα στοιχεία π.χ. για τον λόγο που η ύλη επικράτησε της αντιύλης λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, επιτρέποντας επομένως τη δημιουργία του κόσμου. Επίσης, ελπίζουν ότι θα «ακτινογραφήσουν» πολύ καλύτερα τη διαδικασία έκρηξης των αρχαιότερων υπερκαινοφανών αστέρων, μέσω της οποίας δημιουργήθηκαν τα βαρύτερα χημικά στοιχεία και, στη συνέχεια, οι πρώτες μορφές ζωής.
Πολλά ερωτήματα σαν τα παραπάνω «περνούν» μέσα από την κατανόηση των νετρίνων, και πιο συγκεκριμένα από την κατανόηση της διαδικασίας «ταλάντωσής» τους. Τα νετρίνα διαχωρίζονται σε τρία είδη (ταυ, μιονίου και ηλεκτρονίου), γνωστά και ως «γεύσεις». Εντούτοις, η «γεύση» ενός νετρίνου δεν παραμένει απαραίτητα σταθερή. Έτσι, αν μία δέσμη σωματιδίων διασχίσει μια απόσταση ανάμεσα σε δύο σημεία, τότε ένα ποσοστό τους θα έχει μετασχηματισθεί («ταλαντωθεί») πριν φθάσει στον προορισμό τους, αλλάζοντας στην πορεία «γεύση».
Ωστόσο, η μελέτη των σωματιδίων κάθε άλλο παρά εύκολη υπόθεση είναι. Ο λόγος είναι πως αλληλεπιδρούν εξαιρετικά ασθενώς με την ύλη: ενδεικτικά, από τα 65 δισεκατομμύρια νετρίνα από τον Ήλιο που ανά δευτερόλεπτο «βομβαρδίζουν» κάθε τετραγωνικό εκατοστό της Γης, το συντριπτικά μεγαλύτερο ποσοστό τους περνά μέσα από τη μάζα του πλανήτη μας εντελώς ανεπηρέαστο.
Η δυσκολία στην παρατήρησή τους σημαίνει πως οποιοδήποτε πείραμα με αντικείμενο την «ταλάντωση» των νετρίνων θα πρέπει να περιλαμβάνει ανιχνευτές με πολύ μεγάλη ευαισθησία, οι οποίοι μάλιστα θα είναι «θωρακισμένοι» από τις κοσμικές ακτίνες και την ατμοσφαιρική ακτινοβολία. Γι’ αυτό τον λόγο, όπως και όλα τα ανάλογα πειράματα που έχουν προηγηθεί, το DUNE θα πραγματοποιηθεί στα έγκατα της Γης: το Sanford Lab βρίσκεται σε βάθος 3,2 χιλιομέτρων.
Στις εγκαταστάσεις του, θα κατασκευασθεί έναν ανιχνευτής νετρίνων, ο οποίος θα περιβάλλεται από μία τεράστια δεξαμενή υγρού αργού. Ο ανιχνευτής θα καταγράφει τα νετρίνα που θα φτάνουν σε αυτόν από τις δέσμες που θα παράγονται σε μία πηγή στο Fermilab, η οποία θα εγκατασταθεί σε βάθος 600 μέτρων.
Επίσης, πριν ξεκινήσουν το «ταξίδι» τους με προορισμό το Sanford Lab, καλύπτοντας μια απόσταση μήκους 1.300 χιλιομέτρων στο υπέδαφος, ένας παρόμοιος ανιχνευτής στο Fermilab θα μετρά τις αρχικές ιδιότητες των δεσμών. Με αυτό τον τρόπο, όσα νετρίνα αλλάξουν «γεύση» στην πορεία, θα βοηθήσουν τους ερευνητές του DUNE να φέρουν στο φως πολλές από τις άγνωστες λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας.