唐·林肯是美国能源部费米实验室的资深科学家，费米实验室是美国最大的大型强子对撞机研究机构。他还为公众撰写有关科学的文章，包括他最近发表的《大型强子对撞机：希格斯玻色子的非凡故事》和其他会让你大吃一惊的东西（约翰霍普金斯大学出版社，2014年）。你可以在Facebook上关注他。林肯将这篇文章贡献给了《生命科学》的专家之声：评论与洞察。
大科学通常意味着刻苦的思考和聪明的计划，这将导致尖端的设施，并有望带来改变范式的发现。今天，科学领袖和受邀的政要们朝着实现这些梦想迈出了具体的一步：他们将在一个科学实验室破土动工，他们希望这个实验室将揭示一些有关统治宇宙的规则。
这个名为“深地下中微子实验”（DUNE）的新设施将被安置在桑福德地下研究设施（SURF）中，该设施曾是南达科他州铅的Homestake金矿。
DUNE将探测800英里（1，280公里外，芝加哥西部的费米国家加速器实验室。（全面披露：我是费米实验室的资深科学家，尽管我从未参与过中微子研究。然而，我是一个巨大的粉丝。）
沙丘是一个巨大的努力，涉及全球1000多名科学家。探测器是巨大的，需要在地下4850英尺（1500米）的宅基地矿山建造一个洞穴。为了建造这个洞穴，工人们需要挖掘80万吨（725000公吨）的岩石，这相当于大约8艘现代航空母舰的重量。在高峰时期，这项挖掘将在南达科他州创造约2000个工作岗位，在伊利诺伊州费米拉布附近创造类似数量的工作岗位。【6个酷炫的地下科学实验室】
深地下中微子实验（DUNE）位于南达科他州曾经的Homestake金矿内，将探测在伊利诺伊州费米实验室产生的中微子。（沙盒工作室）幽灵粒子
中微子是亚原子粒子，但与质子、中子和电子不同，它们在原子结构中不起关键作用。相反，在地球上，它们是在放射性元素衰变时产生的，这一过程称为β衰变，特别是中子衰变为质子时。弱核力是导致β衰变的原因。事实上，在已知的三种亚原子力（电磁力和强弱核力）中，中微子只感受到微弱的力。因为弱力很弱，中微子与物质的相互作用很小。
这些幽灵般的粒子在宇宙中无处不在。除了在β辐射中产生外，它们还大量地在核反应堆中制造。然而，虽然遍布全球的核电站确实产生了中微子，但迄今为止，周围最大的核反应是太阳。太阳每秒发射的中微子如此之多，即使地球距离地球约9300万英里（1.5亿公里），平均来说，在你生命的每一秒，都有大约100万亿中微子从太阳经过。这些中微子对你一点也不危险。
让你明白为什么这是真的，假设你是一个中微子恐惧症患者，想让自己免受这场持续不断的大雨的侵袭。这是可能的，至少在理论上是这样。中微子与物质的相互作用很弱。如果你想保护自己不受太阳中微子的伤害，你可以用一块厚厚的铅。我所说的厚，是指真的厚——为了阻止太阳中微子的一半，这一块铅必须足够厚，才能填满地球和我们太阳之后第二个最近的恒星：半人马座阿尔法星之间的空间，半人马座阿尔法星距离地球超过4光年。如果中微子可以使用粒子加速器很容易获得ost。在美国、欧洲和日本，科学家们产生了中微子束。最强大的束是在费米实验室制造的。一个早期的实验称为主注入器中微子振荡搜索（MINOS），是在明尼苏达州北部的Soudan矿进行的。费米实验室将中微子束穿过地球射向米诺斯探测器。（请记住，中微子与物质的相互作用很小，因此没有隧道。中微子实际上是穿过地球的。）米诺斯实验从2005年到2016年进行。后续实验被称为NUMI离轴中微子外观（NVA）。这台位于明尼苏达州阿什河的远程探测器于2014年开始运行。费米实验室也为这项实验提供中微子。
因此，自然，费米实验室将是将中微子射向沙丘的主加速器实验室——这次是在南达科他州，而不是明尼苏达州。
那么，科学家们希望完成什么有沙丘吗？好吧，它将更好地描述中微子振荡的性质，但有一个问题特别有趣。费米实验室可以制造中微子和反物质中微子的光束，沙丘实验可以利用这两组光束来研究物质中微子和反物质中微子的振荡特性。我们描述物质和能量行为的最佳理论（称为标准模型）预测这两种振荡是相同的。沙丘实验可以确定情况是否如此。
为什么物质和反物质中微子振荡的可能性如此诱人？它可能会解决标准模型的问题。标准模型说我们可以把能量转化为物质，反之亦然。但当能量转化为物质时，也应该产生等量的反物质。在大爆炸的时候，有很多能量。因此，我们的宇宙应该由等量的物质和反物质组成，但它完全是由物质构成的。我们不知道为什么。
，但请记住，吴的1956年实验表明，支配我们宇宙物质的弱力定律支配着镜像宇宙中的反物质。所以这种差异也可能体现在物质和反物质中微子振荡的差异上。如果科学家在这些振荡中观察到一种不对称性，这可能揭示出物质反物质不对称性的一些东西。
沙丘也有其他的能力。首先，它将能够探测到银河系和附近星系中发生的超新星（恒星爆炸）中的中微子。它还可以从中子星合并的剧烈天文事件中寻找中微子的发射，甚至可以说一些关于黑洞相互作用的事情。标准模型预测质子是稳定的，不会衰变。实验上，我们知道如果质子真的衰变了，它们的半衰期会超过10^34年。不过，一些扩展了标准模型的新理论预测，质子在时间尺度上的衰变可能只比目前的极限略长。因此，如果沙丘看到质子衰变，这将告诉我们一些关于宇宙的非常深刻的东西，并将在比大型强子对撞机（世界上能量最高的粒子加速器）更高的能量下这样做。
沙丘（及其相关的费米拉布中微子束线）预计将是美国的未来几十年的旗舰实验。一个由专家们组成的庞大的合作小组将对这些数据进行探测，以观察中微子是否会做一些意想不到的事情。这是一个真实的可能性，而且这将不是他们第一次让我们感到惊讶。
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