Po žeme iškasė septynaukščio dydžio erdves – jose gaudys beveik nepagaunamas daleles

Įsivaizduokite septynaukščio namo dydžio įrenginį, paslėptą maždaug pusantro kilometro po žeme. Virš jo – storas uolienų sluoksnis, aplinkui – buvusios kasyklos tuneliai, o viduje netrukus bus laikoma tūkstančiai tonų itin šalto skysčio. Visa tai statoma ne naudingosioms iškasenoms ieškoti, o beveik nepagaunamoms dalelėms stebėti.

JAV Pietų Dakotos valstijoje užbaigtas vienas svarbiausių tarptautinio DUNE fizikos eksperimento etapų. Po nedideliu Lido miestu įrengtos dvi milžiniškos požeminės ertmės, kuriose bus montuojami dalelių detektoriai ir kita ypač jautri mokslinė įranga.

Kad po žeme atsirastų tokio masto laboratorija, teko išgabenti daugiau kaip 800 tūkst. tonų uolienų. Tačiau įspūdingas statybų mastas tėra pasiruošimas klausimui, kurio atsakymas gali pakeisti mūsų supratimą apie Visatą: kodėl apskritai egzistuoja mus supanti materija?

Laboratorija paslėpta buvusios aukso kasyklos gelmėse

Eksperimentui pasirinkta buvusi Homestake aukso kasykla. Jos požeminė infrastruktūra leido mokslininkams pasiekti maždaug 1,5 kilometro gylį, tačiau vien senųjų tunelių nepakako. Detektoriams reikėjo tokių didelių erdvių, kad jų kasimas tapo atskiru sudėtingu inžineriniu projektu.

Požeminės ertmės buvo projektuojamos atsižvelgiant į milžiniškos įrangos matmenis. Pagrindinio detektoriaus aukštis bus panašus į septynių aukštų pastato, o jo viduje numatyta panaudoti apie 17 tūkst. tonų skysto argono. Ši medžiaga padės užfiksuoti retus atvejus, kai beveik su niekuo nesąveikaujanti dalelė vis dėlto paliks pastebimą pėdsaką.

Didelis gylis pasirinktas ne vien todėl, kad paviršiuje tokiam kompleksui būtų sunku rasti vietos. Storos uolienos veikia kaip natūralus skydas, slopinantis kosminių spindulių ir kitų dalelių keliamą foną. Jautriems detektoriams net menki pašaliniai signalai gali tapti triukšmu, užgožiančiu tai, ko mokslininkai laukia metų metus.

Dalelės keliaus 1300 kilometrų tiesiai per žemę

DUNE pavadinimas reiškia giluminį požeminį neutrinų eksperimentą. Jo metu dalelių pluoštas bus sukurtas laboratorijoje Ilinojaus valstijoje ir nukreiptas Pietų Dakotos link. Tarp abiejų tyrimų vietų yra maždaug 1300 kilometrų, tačiau neutrinams nereikės jokio specialiai išgręžto tunelio.

Šios elementariosios dalelės gali skrieti tiesiai per Žemės gelmes, beveik nesusidurdamos su pakeliui esančia medžiaga. Tai skamba neįprastai, tačiau neutrinai nuolat perskrodžia planetas, pastatus ir žmogaus kūną, o mes to visiškai nejaučiame. Būtent gebėjimas prasiskverbti per milžiniškus medžiagos kiekius juos daro ir vertingus, ir nepaprastai sunkiai aptinkamus.

Mokslininkai lygins dalelių savybes skirtinguose kelionės taškuose. Arčiau pluošto šaltinio esanti įranga parodys, kokie neutrinai buvo išsiųsti, o tolimoji požeminė laboratorija padės išsiaiškinti, kaip jie pasikeitė įveikę ilgą kelią. Tikslūs šių skirtumų matavimai gali atskleisti reiškinius, kurių dabartiniai fizikos modeliai iki galo nepaaiškina.

Kodėl neutrinai taip domina fizikus

Neutrinai neturi elektrinio krūvio ir su kita medžiaga sąveikauja itin retai. Eksperimentais jie pirmą kartą aptikti 1956 metais, tačiau net ir praėjus daugeliui dešimtmečių jų savybės nėra visiškai suprastos. Kuo mažiau dalelė nori „bendrauti“ su aplinka, tuo didesnio ir jautresnio detektoriaus reikia bent vienam jos susidūrimui užfiksuoti.

Vienas netikėčiausių atradimų buvo tai, kad neutrinai turi masę. Fizikai tai suprato stebėdami, kaip keliaudamos šios dalelės keičia savo tipą, tarsi persijungtų iš vienos būsenos į kitą. Toks elgesys ne visai dera su paprasčiausia ilgą laiką naudoto dalelių fizikos modelio versija, todėl neutrinai laikomi galima užuomina į dar neatrastus dėsnius.

DUNE tyrėjai tikisi itin tiksliai stebėti šiuos virsmus ir palyginti neutrinų bei jų antidalelių elgesį. Jei paaiškėtų, kad jų savybės tam tikrais atžvilgiais skiriasi, tai galėtų padėti suprasti, kodėl po ankstyvųjų Visatos procesų išliko daugiau materijos nei antimaterijos. Be šio disbalanso nebūtų nei žvaigždžių, nei planetų, nei mūsų pačių.

Didžiausi atradimai gali prasidėti nuo vieno blyksnio

Skystas argonas detektoriuje bus ne pasyvus rezervuaras, o jautri stebėjimo terpė. Kai neutrinas itin retu atveju susidurs su argono atomu, susidariusios dalelės paliks signalus, kuriuos įranga galės užregistruoti. Iš tokių trumpų pėdsakų mokslininkai mėgins atkurti nematomo susidūrimo eigą.

Požeminis kompleksas galės būti naudingas ne tik dirbtinai sukurtam neutrinų pluoštui tirti. Ypač jautri įranga gali fiksuoti ir iš kosmoso atskriejančius signalus, pavyzdžiui, neutrinus iš žvaigždžių sprogimų. Tyrėjus taip pat domina klausimas, ar protonas yra visiškai stabilus, ar per neįsivaizduojamai ilgą laiką vis dėlto gali suirti.

Dabar komplekse montuojamas ir rengiamas pirmasis tolimasis detektorius. Pagal pristatytus planus visavertę veiklą ir reguliarius matavimus ketinama pradėti iki 2028 metų, o vėliau darbus plėsti. Projekte dalyvauja partneriai iš daugiau kaip trisdešimties valstybių, todėl vien įrangos suderinimas ir duomenų apdorojimas tampa tarptautiniu iššūkiu.

Ši laboratorija įspūdinga ne vien savo gyliu ar iškastų uolienų kiekiu. Tūkstančiai tonų argono, milžiniškos požeminės salės ir daugelio šalių mokslininkų darbas skirti akimirkai, kurios plika akimi niekas nepamatys. Kartais atsakymo į didžiausius Visatos klausimus tenka ieškoti ne danguje, o pusantro kilometro po kojomis.