作者史蒂夫·科珀斯，费米国家加速器实验室 靠近探测器的子探测器之一“沙丘”(SAND)将通过测量粒子能量的电子量热计和记录粒子动量和电荷的跟踪器来探测中微子
第二个子探测器将使用液态氩来模拟远探测器中的中微子相互作用
第三种将使用气态氩
通过合作，他们将以比其他中微子探测器更高的精度测量粒子
信用:沙丘合作 一个世纪前，物理学家不知道中微子的存在，中微子是宇宙中最丰富、最难以捉摸、最飘渺的亚原子物质粒子
尽管中微子数量丰富，但每个中微子几乎都是无质量的
然而，“它们塑造了我们所知的宇宙的许多方面，”斯坦福大学和美国国家加速器实验室的粒子物理学和天体物理学教授田中裕久说
这就是为什么田中和来自30多个国家的1000多名其他研究人员参与了由能源部费米国家加速器实验室主持的深层地下中微子实验(DUNE)
牛津大学的物理学教授阿尔丰斯·韦伯说:“数十亿个中微子可以穿过你而你却没有意识到，所以它们很难获得和研究。”
中微子有三种类型，从一种变成另一种:电子、μ子和τ，每一种都有一个反物质表亲
沙丘将使用两个相距800英里(1300公里)的粒子探测器来测量中微子在穿越空间、物质和时间时是如何变形或振荡的
位于芝加哥郊外费米实验室的沙丘附近探测器将测量中微子以及它们在振荡前是如何相互作用的
位于南达科他州桑福德地下研究设施的沙丘远探测器将在振荡后观察它们
该项目在国际范围和科学目标上雄心勃勃
它可以为物质和反物质的不平衡混合提供新的见解，这种现象使得宇宙中物质的形成成为可能
如此重要的发现需要两个探测器协同工作
意大利国家核物理研究所的卢卡·斯坦科说:“由于振荡，这种方法是先测量近场和远场的中微子束，然后比较这两种行为。”
“在光束来自的近探测器中控制中微子束的所有特性是非常重要的
" 田中裕久、阿尔丰斯·韦伯、卢卡·斯坦科、伯尔尼大学的米歇尔·韦伯、费米实验室的艾伦·布罗斯和珍妮弗·拉夫在开发沙丘探测器附近的中微子捕捉组件中发挥了关键作用
三个子探测器系统 基于以往实验的经验教训，探测器的设计变得更加复杂
安装在距离费米实验室加速器产生中微子的地方约600米处的沙丘附近探测器，将由并排放置的三个子探测器组成
其中一个名为SAND的子探测器，拥有15000公里(9320英里)的闪烁体纤维和5000个光电倍增器，将通过测量粒子能量的电子热量计和记录粒子动量和电荷的跟踪器来检测中微子
第二个子探测器基于瑞士伯尔尼大学开发的ArgonCube技术，将使用液态氩模拟远探测器中的中微子相互作用，第三个子探测器将使用气态氩
通过合作，他们将以比其他中微子探测器更高的精度测量粒子
“这是一个非常复杂的系统，”领导这项研究的斯坦科说
SAND将直接坐在中微子束的路径上，测量它的稳定性和组成
与此同时，这两个氩基探测器将是可移动的，能够直接位于光束的路径上或者向一侧倾斜
不同的视角将允许这些探测器测量中微子相互作用如何随着粒子能量的变化而变化
液态氩子探测器的功能将与沙丘更大的远探测器相同:当中微子与液态氩相互作用时，相互作用将产生带电粒子，这些带电粒子将被电子元件检测到，电子元件将信号放大、数字化，然后将信号发送到计算机，在计算机中可以重建信号中包含的信息
几代早期的中微子实验导致了中微子探测器设计的发展
阿尔丰斯·韦伯说，当设计早期实验的探测器时，“我们不知道我们对中微子如何相互作用以及我们需要研究以进行可靠测量的所有不同效应了解得有多少。”
液态氩探测器需要几千吨的质量来增加观察中微子相互作用的机会
“我们总是说中微子难以捉摸，难以探测，”田中说，他的SLAC团队将提供液氩子探测器的关键部件
“你只看到其中的几个，而且很少
" 相反的情况将适用于近探测器
在那里，“我们产生的中微子束如此强烈，以至于在液氩子探测器中，我们将在百万分之一秒内看到大约50次相互作用，”他说
由此产生的挑战是识别单个中微子、它们的能量和它们的类型，其速度与近探测器将看到的中微子洪流相匹配
为了获得这样的数据，液氩子探测器将由35个几乎独立运行的小模块组成
阵列中的每个模块的质量约为3吨
当向液态氩体积施加高电压时，氩原子中原本被动的电子被释放出来，并开始向检测元件阵列移动
液态氩——从气态冷却到这种状态——密度如此之大，以至于最低能量的粒子无法被探测到
为了捕捉这些逃逸的粒子，氩气子探测器位于液态氩子探测器旁边
由于氩气密度较低，在氩气中发生的中微子相互作用要少得多
“你可以在氩气子检测器中测量其他东西，而在液态氩子检测器中是无法测量的，”韦伯说
这包括测量中微子相互作用对氩核的影响，这一过程在中微子振荡测量中产生不确定性
寻找新粒子 三个子探测器联合工作将使物理学家有可能寻找超越已知物理定律界限的现象
韦伯说，由于费米实验室的主注射器粒子加速器产生的中微子穿过探测器附近的沙丘，“其他粒子也可能产生，这些粒子我们还不知道。”
“其他粒子也有可能产生，这些粒子我们还一无所知
" 重中微子和暗光子属于这一类
重中微子的存在可以解释一个令人困惑的事实，即已知的中微子质量很小，它们的发现有助于解释暗物质的性质
暗光子将是普通光子的隐形近亲，普通光子是电磁粒子
暗光子的探测——如果它们存在的话——可以照亮宇宙中广阔但目前不可见的黑暗部分
然后是意想不到的
“我想，我希望我们会在物理结果上有一个惊喜，”斯坦科说
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