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三大“劍客”解密中微子

2019-09-10 07:22
科海故事博覽·上旬刊 2019年3期
關(guān)鍵詞:中微子劍客超新星

輕如塵、快似光,能夠輕易穿越各種物體,還能時(shí)不時(shí)“變身”——中微子無(wú)疑是基本粒子世界里的“隱世高手”;此外,它們或許還隱藏著有關(guān)宇宙大爆炸的絕世秘密。正因如此,任何關(guān)于它們的線(xiàn)索都可謂價(jià)值連城。迄今,人類(lèi)研究中微子已經(jīng)超過(guò)半個(gè)世紀(jì),但對(duì)其性質(zhì)至今仍然沒(méi)有詳細(xì)的了解,甚至連它的確切質(zhì)量也不清楚。為此,科學(xué)家們新建了一些實(shí)驗(yàn)裝置,希望“掀起它的蓋頭來(lái)”。打頭陣的將是位于廣東的正在建設(shè)的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置,它是中國(guó)前所未有的最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置,與目前最好的國(guó)際同類(lèi)裝置相比,它的規(guī)模大20倍,精度提高近1倍。據(jù)曹俊介紹,江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)裝置于2015年開(kāi)始建設(shè),計(jì)劃2021年年底完成探測(cè)器建造。該裝置包括位于地下700米的洞室、大型水池、一個(gè)裝滿(mǎn)2萬(wàn)噸液體和光電倍增管的中微子探測(cè)器以及少量配套設(shè)施,會(huì)發(fā)出閃光的液體是探測(cè)中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過(guò)探測(cè)器時(shí),偶爾會(huì)在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng),發(fā)出極其微弱的閃光,從而被光電倍增管捕捉到。曹俊表示:“江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)定中微子質(zhì)量順序、精確測(cè)量中微子混合參數(shù),同時(shí)也將研究大氣中微子、太陽(yáng)中微子、超新星中微子及地球中微子等。測(cè)定中微子質(zhì)量順序,不僅有助于理解微觀的粒子物理規(guī)律,也將對(duì)宇宙學(xué)、天體物理學(xué)、地球物理學(xué)做出重大貢獻(xiàn)。”據(jù)報(bào)道,設(shè)在美國(guó)的“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”由兩部分組成,一部分位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室,包括一個(gè)巨大的中微子槍?zhuān)鋾?huì)將質(zhì)子加速到接近光速,使其粉碎,在終端每秒射出數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子。這些中微子將從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室出發(fā),沿直線(xiàn)前進(jìn),直到它們撞上第二部分——約1300公里外、位于地下深處約1600米的桑福德地下研究設(shè)施,此處的探測(cè)器里約裝有4萬(wàn)噸液態(tài)氬。據(jù)悉,DUNE能夠更好地描述中微子振蕩的特性,還能探測(cè)到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。DUNE設(shè)施被認(rèn)為是美國(guó)未來(lái)幾十年的“旗艦實(shí)驗(yàn)室”,來(lái)自多個(gè)國(guó)家的專(zhuān)家將對(duì)實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,進(jìn)一步了解中微子的“性格”。

日本文部科學(xué)省于近日確定了在岐阜縣飛驒市建設(shè)下一代中微子探測(cè)器——“頂級(jí)神岡”探測(cè)器的計(jì)劃,這一探測(cè)器是日本現(xiàn)有“超級(jí)神岡”探測(cè)器的后繼設(shè)施。“超級(jí)神岡”位于一座山下1000米深處,其光傳感器浸沒(méi)于5萬(wàn)噸純水中。1998年,“超級(jí)神岡”提供了首個(gè)確鑿證據(jù),證明中微子和反中微子可以在3種類(lèi)型之間振蕩,項(xiàng)目負(fù)責(zé)人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而“頂級(jí)神岡”探測(cè)器將建于地下約650米處,主體設(shè)施為直徑74米、高約60米的圓柱狀水槽,規(guī)模是“超級(jí)神岡”的5倍以上。水池壁上設(shè)置約4萬(wàn)個(gè)傳感器,捕捉太空飛來(lái)的中微子在水中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的微弱閃光?!绊敿?jí)神岡”將在2025年左右開(kāi)始尋找自然界(比如核聚變和超新星)產(chǎn)生的中微子。由于設(shè)施巨大、傳感器性能高,“頂級(jí)神岡”不僅在探測(cè)超新星方面更高效,也有望揭示為什么宇宙主要由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成。理論學(xué)家稱(chēng),理解這一點(diǎn)的關(guān)鍵是測(cè)量中微子和反中微子之間的不對(duì)稱(chēng)性,特別是兩者在不同類(lèi)型之間振蕩的速度差異?!俺?jí)神岡”已看到相關(guān)線(xiàn)索,“頂級(jí)神岡”應(yīng)能進(jìn)行更精確地測(cè)量。希望即將上崗的這三大“劍客”能讓中微子的“身世秘密”大白于天下?;蛟S在此過(guò)程中,會(huì)涌現(xiàn)多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,誰(shuí)知道呢?

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