深坑、冰洞、废矿!“幽灵粒子”就曾在这些地方现身!

■ 刘霞 / 文


深坑、冰洞、废矿!“幽灵粒子”就曾在这些地方现身!

图片来自网络

轻如尘(几乎没有质量)、快似光(行进速度接近光速)、神出鬼没,还可以不时“变身”,在宇宙诞生之初就曾充斥整个宇宙的中微子,无疑是基本粒子世界里的“隐世高手”。中微子又名“幽灵粒子”,以行为诡异而著称于世。



中微子身上可能背负着宇宙的很多秘密,比如,中科院高能物理研究所研究员曹俊就在接受采访时表示,中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源和演化有关。宇宙中物质与反物质的不对称,很可能是由中微子造成的。


如此一来,任何有关中微子的线索都可谓价值连城。


所以,尽管它行事低调,但声名显赫。

 

中微子又名“幽灵粒子”,以行为诡异而著称于世:它们能从宇宙某次剧烈爆发的中心不受干扰地射出,笔直地划过宇宙,丝毫不受影响地穿过地球大气层,这些特性让中微子成为宇宙与人类之间极佳的“信使”。


不过,关键的问题是要在其抵达地球时捕捉到它们。

 

因此,科学家们为其修建了各种各样庞大而复杂的“宫殿”,静心等待着它的降临。美国商业内幕(Business Insider)网站在最新报道中,为我们梳理了这些“庞然大物”,尽管其有不同的任务,但终极使命是揭示笼罩在中微子头上的神秘面纱。

 

锗探测阵列:

揭示我们为什么会存在


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锗探测器阵列位于意大利拉奎拉附近地下1.4公里深处的格兰萨索国家实验室里的液氩水箱里,能屏蔽宇宙线背景。


反物质是目前科学领域最大的谜团之一。


按照目前我们对宇宙学和粒子物理学的最佳理解,大约137亿年前,物质和反物质在大爆炸中被创造出来,数量应该是相同的。接下来就是一场相互作用的风暴,物质和反物质本应短兵相接,同归于尽,只留下光子充斥整个宇宙,如此一来,人类也就不复存在,因为一切都会在瞬间闪耀的伽马射线中湮灭。然而很明显,事情并不是这样发生的。宇宙间充满了各种物质,反物质貌似“消失”了。

 

科学家们认为,答案可能在中微子身上。

 

20世纪30年代,意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出,中微子可以作为自己的反粒子。如果这个理论是正确的话,那么科学家或许能够看到超级罕见的事件,也就是无中微子双β衰变。

 

中科院高能研究所副研究员周顺解释称,在通常的β衰变中,一个中子变成质子,同时释放出一个电子和一个电子反中微子。有些原子核则能同时发生两个β衰变,此时应该有2个电子反中微子发射出来。但如果反中微子和相应的中微子完全相同,一个β衰变产生的反中微子将会在另一个β衰变过程中吸收,结果整个核反应只产生两个电子。

 

据周顺介绍:“锗-76原子核是为数不多的、有可能进行这种衰变的、具备适当数量质子和中子的原子核。它是锗-73原子核的同位素,含有32个质子和44个中子,具有与一般锗同位素不同的原子质量。


锗探测器阵列(GERDA)由此而生。锗探测器阵列位于意大利拉奎拉附近地下1.4公里深处的格兰萨索国家实验室里的液氩水箱里,能屏蔽宇宙线背景。”

 

如果科学家能发现它们正在寻找的那种衰减,那很可能意味着,中微子可以同时作为粒子和反粒子而存在,这将帮助解释为什么宇宙更“偏爱”物质,以及为何我们今天生活在这里。

 

萨德伯里中微子观测站:

调查中微子振荡


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加拿大萨德伯里中微子观测站(SNO)于上世纪90年代建于地下2公里深处,最近改造升级为SNO+。

 

SNO+将探测来自地球、太阳甚至超新星的中微子,其核心是一个巨型塑料球体内,充满了800吨名为液体闪烁体的特殊物质。整个球体被“水壳”所环绕,并用绳索固定。一万个极其敏感的光检测器——光电倍增管(PMTs)监视着它的一举一动。

 

当中微子与探测器内其他粒子相互作用时,会在液体闪烁体中制造出光,光电倍增管的目标便是捕捉这些光。SNO+的前身SNO实验发现中微子的三种类型——电子中微子、μ(缪子)中微子和τ(陶子)中微子——可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,这被称为中微子振荡。2015年,瑞典皇家科学院决定将诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳,以表彰他们在中微子振荡方面的发现。

 

全球最大中微子探测器“冰立方”:

探测宇宙


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中微子探测器“冰立方(IceCube)”是科学家们迄今设计的最疯狂观测台之一,其位于南极洲约2.4公里深的冰层下1立方公里的冰块内,由86根装备了传感器的电缆所组成,每根电缆包含有60个光学传感器,这5160个传感器的使命就是寻找源自宇宙中诸如恒星爆炸、黑洞和中子星等极端事件产生的高能中微子。

 

当中微子撞入冰层的水分子内时,释放的亚原子粒子的高能爆发能够波及6个城市街区。这些粒子的运动极快,并发出一种蓝色辉光,即切连科夫辐射(Cherenkov radiation)。这正是冰立方探测器要捕捉的东西。科学家们希望借助这一信息还原中微子的运行路径,辨认它们的来源。


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2010年“冰立方中微子天文台”竣工,2012年发布了首个观测结论:发现了超高能中微子。这些中微子的能量高达2000万亿电子伏特,比大型强子对撞机产生的高能质子还要高300倍,如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。随后,科学家一直在搜寻可能产生它们的奇异天体活动。

 

德国科学家领导的国际科研团队在4月20日的《自然·物理学》杂志上撰文指出,他们对来自距离地球90亿光年之外的“PKS B1424-418”活动星系产生的射电和伽马射线数据进行了分析。结果表明,中微子和活动星系爆发在时间和方向上一致,由此推断中微子可能来自银河系外活动星系的爆发,使其成为首个拥有银河系之外源头的超高能中微子事件。

 

大亚湾中微子实验:

追寻反中微子的“芳踪”


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位于中国广东省深圳市的大亚湾中微子实验2006年立项,2007年10月动工,2011年年中逐步完成探测器的建造与安装,同年8月开始近点取数、12月下旬开始远近点同时运行。

 

据周顺介绍,整个实验建有总长3公里的隧道和3个地下实验大厅,每个实验厅内都有一个长16米、高宽各10米的巨大水池,存有约2000吨纯净水。3个实验大厅共放置8台中微子探测器,浸泡在水池正中。每台探测器是高5米、直径5米、重100吨的圆桶,里面装有40吨重的液体闪烁体,核心部分是20吨掺钆液体闪烁体和光电倍增管。

 

附近的6个核反应堆不断产生巨量无害的电子反中微子,这些反中微子流会与液体闪烁体相互作用,产生微弱的闪烁光。光电倍增管探测到闪烁光,将它转换成电信号,这样我们就探测到了反中微子。

 

大亚湾中微子实验室旨在研究中微子振荡。同中微子一样,反中微子也在不同的形态间转换,科学家们希望厘清最远端的探测器中有多少反中微子因改变“味”而避开了探测。

 

北京时间2012年3月8日,大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布,大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率,极大地完善了中微子振荡理论,并对进一步理解宇宙物质—反物质不对称具有重要的指标性意义。王贻芳团队因此项研究获得2016年国际“基础物理学突破奖”。

 

超级神冈探测器:

探测中微子的“味”


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大型中微子探测器超级神冈探测器(Super K)位于日本岐阜县飞騨市神冈町神冈矿山一个深达1000米的废弃砷矿中。巨大的探测器中包含5万吨纯水,有约11200个光电倍增管,所以设备维护需要工作人员乘船前往。

 

与“冰立方”一样,超级神冈探测器也利用切连科夫辐射来探测中微子。除了太阳中微子,超级神冈实验主要用来探测大气中微子信号。这种中微子是宇宙线轰击地球上层大气的产物,以两种类型出现,分别是电子中微子和缪子中微子。

 

1996年,超级神冈探测器开始取数。1998年,超级神冈实验负责人之一梶田隆章在中微子1998会议上发表了实验的测量结果,第一次证实了中微子振荡现象的存在,成为首个获得中微子荡强证据的观测台。这一证据表明,中微子也有微小的质量,田隆章因此获得2015年诺贝尔奖。在此之前,超级神冈的前身神冈实验观测到1987A超新星中微子,小柴昌俊因此与探测到太阳中微子的雷·截维斯分享了2002年诺贝尔物理学奖。

 

目前,研究人员正从295公里外朝着超级神冈探测器发射中微子束,以进一步研究中微子振荡。另一个建造中的美国实验——深部地下中微子实验(DUNE)将于约五倍远的距离发射中微子束,进行类似研究。


来源:《科技日报》2016年8月21日,转载时有修正。


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中科院高能所