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摘要：当实验开始并运行时，费米实验室的一个强大的粒子加速器将产生一束强烈的亚原子粒子，称为中微子，直接射穿地球，在海浪中被探测到。中微子是亚原子世界的幽灵，能够在几乎没有相互作用的情况下穿过整个行星。这是沙丘实验将要研究的最后两个性质。这是公认的科学。另外两个粒子与另两个亚原子粒子有关，称为μ子和τ，它们是电子的重近亲。中微子的变形，科学家们称之为振荡，也是公认的物理学。
对亚原子世界的研究彻底改变了我们对宇宙规律的理解，并使人类对深层问题有了前所未有的洞察。历史上，这些问题一直存在于哲学领域：宇宙是如何形成的？为什么宇宙是这样的？为什么有些东西，而不是什么都没有？”
好吧，超越哲学，因为科学已经在建造设备方面迈出了关键的一步，这将帮助我们回答这样的问题。它包括从一个物理实验室到另一个物理实验室，在800英里（近1300公里）的距离内，向地球射出被称为中微子的幽灵粒子。
一个国际物理学家小组宣布，他们已经在一个叫做ProtoDUNE的立方体探测器中看到了第一个信号。这是沙丘实验中一个非常大的垫脚石，它将是美国未来20年的旗舰粒子物理研究计划。ProtoDUNE的大小相当于一栋三层楼的房子，它是一个更大的探测器的原型，将用于沙丘实验，今天（9月18日）的公告表明，被选中的技术是可行的。[物理学中18个未解之谜]
沙丘探测器将位于芝加哥郊外的费米国家加速器实验室（Fermilab）和南达科他州铅市的桑福德地下研究设施（SURF）。当实验开始并运行时，费米实验室的一个强大的粒子加速器将产生一束强烈的亚原子粒子，称为中微子，直接射穿地球，在海浪中被探测到。
中微子是亚原子世界的幽灵，能够在几乎没有相互作用的情况下穿过整个行星。中微子过去曾多次让科学家感到惊讶。从它们史无前例的在不相互作用的情况下通过物质的能力，到它们对待物质和反物质非常不同的事实，再到它们从一个版本转变为另一个版本的能力，中微子继续吸引着世界科学界。这是沙丘实验将要研究的最后两个性质。
反物质听起来像科幻小说，但它确实是真实的。反物质是物质的对立面，把物质和反物质结合起来，它们就会湮灭成纯能量。反物质于1928年提出，1931年首次被观测到。在接下来的几十年里，科学家（包括我）对它进行了极其详细的研究。大多数人都知道，还有一个非常令人困惑的谜。当我们将能量转化为反物质时，我们会产生等量的物质。这是公认的科学。这不是问题所在。
问题是，如果我们把观察结果和大爆炸的想法结合起来，就不会有什么东西结合在一起。毕竟，在大爆炸之后不久，宇宙充满了能量，这些能量本应同样转化为物质和反物质。然而，我们的宇宙完全是由物质构成的。那反物质去哪儿了？这个问题是没有答案的；但也许仔细研究物质和反物质中微子可能会发现一个不同之处。[大爆炸到文明十大惊人起源事件]
和其他亚原子粒子一样，中微子和反物质中微子，被称为反中微子，有一个称为自旋的量，这个量虽然不完美，但有点像小旋转球。中微子和反中微子的自旋方向相反。如果你发射中微子光束，所以它向你走来，你可以凝视中微子的旋转轴；你会看到它们以顺时针的方式旋转，而反中微子则在相反的方向旋转。因为中微子和反中微子的自旋是相反的，这就确定了两者之间的区别。也许这一区别是一个迹象，表明研究中微子的物质和反物质类似物将揭示这个谜团。
还有另一个中微子的特性使他们对丢失反物质的难题感兴趣……他们可以从一个身份转变成另一个身份。科学家发现了三种不同类型的中微子。其中一种与电子有关，称为电子中微子。另外两个粒子与另两个亚原子粒子有关，称为μ子和τ，它们是电子的重近亲。
如果你先从一堆电子中微子开始，然后再观察它们，你会发现电子中微子比你开始时少，但是有足够的μ介子和τ中微子来弥补这个不足。中微子并没有腐烂，而是在相互转化。
就像你的房间里有100只狗，当你回头看时，有80只狗，17只猫和3只鹦鹉。如果你晚些时候再看，这种混合仍然是不同的。
中微子的变形，科学家们称之为振荡，也是公认的物理学。自20世纪60年代以来，研究人员就开始怀疑它；1998年，他们相当肯定它是真的，2001年，他们完成了这一论点。中微子振荡发生并被授予2015年诺贝尔物理学奖。
沙丘实验有几个研究目标，但也许最紧迫的是首先测量中微子的振荡，然后再测量反中微子的振荡。如果它们是不同的，那么更详细地理解这一过程将有助于我们理解为什么宇宙是由物质构成的。总之，它可以解释为什么我们存在。“KDSPE”“KDSPs”沙丘实验将由两个检测器复合物组成，一个较小的在费米实验室，四个较大的位于Surf。一束中微子将离开费米实验室，直奔遥远的探测器。不同类型中微子的比例将在费米实验室和SURF实验室的探测器上测量。测量中微子振荡引起的差异，然后对反中微子重复这一过程。
将用于沙丘实验的技术涉及一大桶液态氩，中微子将在其中相互作用并被探测到。位于SURF的每一个较大的探测器的高度和宽度都将与四层楼的建筑一样，并且比足球场还要长。每个探测器将包含17000吨液态氩。
ProtoDUNE探测器是一个更小的原型，由800吨液态氩组成。这卷书大得足以容纳一所小房子。沙丘科学家的合作遍及世界各地，吸引了来自世界各地的研究人员。费米实验室是主办实验室，其他国际实验室也参与其中。欧洲粒子物理实验室（CERN）就是这样一个设施，位于瑞士日内瓦郊外。ProtoDUNE探测器位于欧洲核子研究中心，进一步巩固了实验室之间的长期关系——例如，费米实验室长期以来一直在利用欧洲核子研究中心大型强子对撞机记录的数据进行研究。沙丘是欧洲核子研究中心在美国一个实验室进行的第一项实验投资。
今天的公告是一个很大的公告，证明将形成沙丘实验核心的液态氩技术是一个不错的选择。第二个原始沙丘探测器将在几个月后上线。第二个版本使用稍有不同的技术来观察稀有中微子相互作用所产生的粒子轨迹。这两个探测器的测试结果将指导科学家对探测器组件的最终设计作出决定。沙丘将在未来十年内建成，第一个探测器模块计划在2026年投入使用。
最初发表在《生命科学》杂志上。
唐·林肯是费米实验室的物理研究员。他是《大型强子对撞机：希格斯玻色子的非凡故事和其他会让你头脑发热的东西》（约翰霍普金斯大学出版社，2014）的作者，他 ... 了一系列科学教育视频。当面跟着他书。在这篇评论中表达的观点是他的。
Don Lincoln将这篇文章贡献给了Live Science的专家之声：评论版和见解。“
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