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betway必威官网手机版捕捉中微子,幽灵粒子

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-08-01 23:04

(橡胶万岁/译)汉斯已经在黑暗的房间里等待了45分钟。这段时光十分无聊,但是他的实验需要眼睛适应黑暗的环境——因为他要数清给α粒子打在金属箔上发生偏转时的模糊闪光。

意大利格兰萨索国家实验室Borexino实验团队在《物理评论D》杂志发表论文称,他们在地壳和更深层地幔中探测到中微子的反物质——反中微子,地幔中的反中微子甚至占到总量的一半左右。

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现有中微子探测器都是埋在地下的数千吨庞然大物,它们才能隔绝宇宙射线等背景干扰,观测到足够数量的中微子。

捕捉中微子:奶壶大探测器也能办 新方法同时验证40多年前的物理学理论

这个实验是欧内斯特•卢瑟福(Ernest Rutherford)在1908年进行的系列实验的一部分。该实验最终发现了原子核的存在。卢瑟福的助手,物理学家汉斯•盖革(Hans Geiger)在这一发现中也有相当的功劳。

中微子几乎没有质量,是在放射性衰变中形成的中性带电粒子。中微子几乎不和其他粒子发生相互作用,每秒钟有数万亿中微子从我们身边经过,我们却全然不知。

科学家们长期以来一直对来自太空的高能粒子的来源感到困惑,这些粒子以超过世界上最先进的粒子加速器的能量撞击地球。现在,物理学家已经确定了一种名为中微子的高能轻量级粒子的来源。科学家在7月12日在“科学”杂志上报道,这位星际旅行者来自一种名为“猎户座”方向的明亮星系。“这是一个超级令人兴奋的消息。”芝加哥大学的天体物理学家安吉拉·奥尔托(Angela Olinto)说,“它标志着我们所谓的中微子天文学的开始。”中微子天文学利用几乎无质量的粒子来揭示宇宙奇观的秘密,比如耀斑。虽然高能中微子可能有更多的宇宙来源,但探测表明至少有一些来自于耀斑的。这一结果还表明,耀斑会发射其他被称为宇宙射线的高能粒子,这些粒子是与中微子同时产生的。高能宇宙射线的起源目前还知之甚少,到目前为止,“还没有人能够找出产生宇宙射线的来源。”威斯康星大学麦迪逊分校的天体物理学家弗朗西斯.霍尔森说,他是探测到这种粒子的南极中微子天文台“冰立方”的领头人。由于这一发现,“我们将更好地了解宇宙巨大加速器的性质。”国家科学基金会(National Science Foundation)主任弗朗斯·科多瓦(France Córdova )7月12日在弗吉尼亚州亚历山大市的新闻发布会上说,“科学家无法在地球上产生如此高能量的粒子,所以我们必须求助于天空,以加深我们对最高能量过程的理解。”

日前出版的《科学》杂志刊登论文称,美国科学家利用只有奶壶大小的探测器,首次捕捉到中微子与原子核间相干性散射,完成了那些巨型探测装置多年来苦苦追寻未果的重要目标,从实验上验证了40多年前提出的一项物理学理论。

科技日报北京8月6日电 现有中微子探测器都是埋在地下的数千吨庞然大物,它们才能隔绝宇宙射线等背景干扰,观测到足够数量的中微子。

他们的这些实验处于粒子物理学的起步阶段。

格兰萨索的Borexino是一个巨型金属球罐,其内充满300吨的液体闪烁体。反中微子会发射出一个正电子和一个中子。当这两个粒子撞到液体中的粒子时,就会发出特殊的闪光。

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1974年,麻省理工学院理论物理学家丹尼尔·弗雷德曼提出了中微子—原子核相干性弹性散射理论,认为中微子和其他量子粒子一样具有波粒二象性。也就是说,中微子波长会随着粒子能量而变化,当其处于高能状态时,只与某个质子或中子发生相互作用;而当其处于低能状态时,就会与包含所有质子和中子在内的整个原子核发生相干性作用,中微子从原子核弹回,从而发出可以检测到的信号。

日前出版的《科学》杂志刊登论文称,美国科学家利用只有奶壶大小的探测器,首次捕捉到中微子与原子核间相干性散射,完成了那些巨型探测装置多年来苦苦追寻未果的重要目标,从实验上验证了40多年前提出的一项物理学理论。

研究粒子物理需要揭示出物质最微小的部分。实验中可能需要用上亿个加速过的粒子去撞击目标,然后观察碰撞中的产物,这就需要架设一台探测器来观测其中产生的粒子。

科学家们自从2007年就开始在格兰萨索当地探测中微子,之前的Borexino探测器和位于日本的KamLAND探测器都曾发现过反中微子,但信号非常微弱。据《新科学家》杂志网站报道,这次新研究中,科学家们分析了Borexino探测器获得的2056天的详细数据后发现了反中微子。新发现具有5.9西格玛水平,这意味着,误差只有2.75亿分之一,而粒子物理学家们通常将5西格玛水平置信度作为发现粒子的标准,新发现大大超过了这一标准。

冰立方是在一立方公里的冰盖内建造的,它使用数千个嵌入式传感器来测量中微子撞击冰时产生的光。2017年9月22日,冰立方探测到一个能量近300万亿电子伏的中微子。相比之下,日内瓦大型强子对撞机中的质子达到了6.5万亿电子伏的能量。通过向后追踪中微子的轨迹,科学家们瞄准了猎户座方向的一个天空区域。天文学家们立即行动起来,世界各地的望远镜都在寻找能揭示粒子来源的光线。费米伽马射线空间望远镜探测到了一束伽马射线,这是一种高能光,来自一个名为TXS 0506 056的耀斑星系,这个明亮的星系由一个巨大的黑洞驱动,这个黑洞向地球方向发射一股高能粒子。各种望远镜在其他类型的光线中观察到了耀斑,包括X射线和无线电波。费米研究员雷吉娜·卡普托(Regina Caputo)在2017年8月观察到2017年8月观测到的撞击中子星的引力波和光之后,认为:“这太疯狂了,天空正在爆发。我几乎无法相信,宇宙正以我们以前从未想象过的方式展现自己。”具有明确定义的入射方向的高能中微子的探测是罕见的,冰立方在发现这个中微子之前的一年半内只向天文学家发送了10份这样的探测报告。这是研究人员第一次幸运地发现了光源。没有参与这项研究的杜克大学中微子物理学家凯特·斯科尔伯格(Kate Scholberg)说:“这就是冰立方建立的目的,试图从这些奇异的来源中看到高能中微子。”

几十年来,物理学家们一直在试图利用核反应堆找到这种弹性散射效应,但一无所获。杜克大学物理学家凯特·斯格尔伯格解释说,从质量大小来说,中微子好比乒乓球,原子核好比保龄球,用中微子弹射原子核,就如同用乒乓球撞击保龄球,你能看到保龄球滚动吗?而要验证弗雷德曼的理论,需要检测到原子核被中微子反弹。

1974年,麻省理工学院理论物理学家丹尼尔:弗雷德曼提出了中微子—原子核相干性弹性散射理论,认为中微子和其他量子粒子一样具有波粒二象性。也就是说,中微子波长会随着粒子能量而变化,当其处于高能状态时,只与某个质子或中子发生相互作用;而当其处于低能状态时,就会与包含所有质子和中子在内的整个原子核发生相干性作用,中微子从原子核弹回,从而发出可以检测到的信号。

如今,大型计算机和电子元件已经取代了卢瑟福和盖革艰辛的人工计数。物理学家也会用到除了金属箔之外的很多其他材料来显示粒子的踪迹,包括很难捕捉的中微子。

这次新研究中,研究人员还能确定地球内产生中微子的放射物铀和钍的比例,并且首次区分出反中微子是来自地壳还是来自深层地幔。“越来越多的证据表明,深层地幔中也能发现反中微子。”意大利核物理国家研究所、Borexino领导吉安保罗·贝利里说。

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betway必威官网手机版捕捉中微子,幽灵粒子。此次,斯格尔伯格和另外80位科学家共同组建的实验组,终于首次探测到中微子—原子核相干性散射。

几十年来,物理学家们一直在试图利用核反应堆找到这种弹性散射效应,但一无所获。杜克大学物理学家凯特:斯格尔伯格解释说,从质量大小来说,中微子好比乒乓球,原子核好比保龄球,用中微子弹射原子核,就如同用乒乓球撞击保龄球,你能看到保龄球滚动吗?而要验证弗雷德曼的理论,需要检测到原子核被中微子反弹。

1.干洗液

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物理学家雷·戴维斯(Ray Davis)有一个很棒的主意,它不但可以用来探测粒子,还可以用来干洗很多衣服。在1966年之前的几年,他得到了600吨四氯乙烯(perchloroethylene),这也是一种常用的干洗液。他把这些四氯乙烯灌注在一个探测器里。这个探测器安置在距离南达科他州布莱克山一英里左右的霍姆斯特金矿中。他想计数太阳中微子。当这种中微子穿过干洗液时,会触发可以检测到的反应。实验中记录到的中微子数量只有戴维斯计算的理论值的三分之一,不过他的四氯乙烯探测器仍然获得了成功。这个“数量对不上”的发现也提示,中微子发生了振荡,并且转化成了不同的“味”。(更多阅读:中微子为什么要振荡?; 中微子,开启通向新物理学的大门)

(注:这里所发生的反应是中微子与氯37原子的相互作用。中微子撞在氯核上,可以有很小的概率将其中的一个中子转化成质子,同时释放一个电子,这样一来氯37就转变成了氩37。选择四氯乙烯,也是因为这种液体富含氯原子。这种反应的发生频率非常小,即使动用了如此大量的四氯乙烯,并且将数据收集持续到了1994年,这项研究中一共也只探测到了约2000个发生反应的中微子。)

当Borexino试验在往下寻找中微子时,南极的冰立方探测器也在外太空寻找中微子时再次获得突破。曾在2013年首次探测到两个高能中微子后,冰立方团队已经探测到越来越多的中微子,但最近,他们宣称探测到能量最高的中微子,这些中微子的能量超过2000万亿电子伏特,比大型强子对撞机的碰撞能量还要高150多倍。

高能中微子被追踪到银河系之外的一个源头,即猎户座星座中的一个星系。此前,科学家们已经确定了能量低得多的中微子的发源地:爆炸恒星和太阳。但是高能中微子却更加难以捉摸。虽然先前有迹象表明高能中微子与耀斑有关,但新的探测使耀斑与高能中微子之间首次有了坚实的联系。在揭开中微子的来源之后,冰立方的研究人员回到了他们的数据中,寻找更多的中微子,这些中微子可能来自于耀斑。研究人员在7月13日的“科学”杂志上发表的第二篇论文中报告说,从2014年9月开始的七个多月里,冰立方看到了一个中微子耀斑,这是来自附近的高能中微子的过剩。对于耀斑,人们仍然知之甚少,包括它们喷射出的粒子的种类。因为高能中微子只能与质子结合产生,所以探测发现,耀斑也是宇宙射线的来源,宇宙射线由质子和原子核组成。在地球上已经探测到了超高能的宇宙射线,这是一个谜,宇宙引擎可以把粒子加速到极端。美国宇航局哥达德的天体物理学家弗洛伊德·斯泰克(Floyd Stecker)说:“这可能是他们起源的线索。”但他认为目前尚不清楚,耀斑是否能将质子加速到所观察到的最高能量。

他们利用掺杂钠的碘化铯晶体制成奶壶大的高灵敏探测器,对橡树岭国家实验室散裂中子源装置产生的中微子进行了检测。

此次,斯格尔伯格和另外80位科学家共同组建的实验组,终于首次探测到中微子—原子核相干性散射。

2.苏联时期的弹壳

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在二十世纪四十年代,前苏联海军用特别设计的黄铜外壳弹药来武装军舰,这些炮弹在高压下也不容易变形,而且可以保存相当长的时间。五十多年之后,当欧洲核子研究中心(CERN)建设大型强子对撞机(LHC)时,他们在紧凑μ子线圈(CMS)粒子探测器上也要用到同样高品质的黄铜。用在这里的材料必须在寿命期限内承受粒子的轰击并保持稳定才行。实验室与俄国官方签署协议,将不再使用的旧炮弹壳回炉熔化,并用它们来制作CMS强子量能器。这是LHC中探测粒子撞击能量的探测器组件。(更多阅读:大型强子对撞机重启倒计时)

betway必威官网手机版 6 黄铜弹壳的真面目。图片来自:cms.web.cern.ch

这些最新发现有助于物理学家们揭示暗物质等宇宙奥秘。地幔中微子的探测研究将帮助科学家们更好地理解放射物衰变如何驱动地幔中岩石层移动等过程。

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当中微子通过时,碘化铯晶体内的原子核会发生反弹,哪怕信号只有一点点,碘化铯晶体也能产生可以检测到的闪光。在461天的实验数据中,他们总共观测到了134次中微子散射事件。

他们利用掺杂钠的碘化铯晶体制成奶壶大的高灵敏探测器,对橡树岭国家实验室散裂中子源装置产生的中微子进行了检测。

3.250万加仑矿物油

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费米实验室位于明尼苏达州北部的14000吨NOvA中微子探测器可能是全世界最大的独立塑料结构。填充溶液的95%是矿物油。为了把这些矿物油从路易斯安那州西南部的炼油厂运到距离芝加哥1000英里的工厂与另外11万加仑液体(注:顺便说,这里用到的另外一种物质是偏三甲苯。250万加仑和11万加仑分别相当于大约946万和42万升)进行混合,人们一共动用了108个车皮和一艘驳船。最终二者混合我们就得到了一种液体闪烁体。当中微子与液体闪烁体中的粒子撞击时会发出可测量的光。

冰立方实验中使用嵌入在冰中的传感器来检测中微子与冰相互作用时发出的光。已知最高能量的宇宙射线来自银河系之外。但总的来说,宇宙射线几乎没有留下它们的出生地的线索:当宇宙射线穿过太空时,它们的轨道会被磁场扭曲,因此不能可靠地指向它们的来源。另一方面,中微子是电中性的,这意味着它们不受磁场的影响,从起源到地球的直线运动。奥尔托说,由于高能宇宙射线和中微子是同时产生的,这些粒子也能帮助科学家理解宇宙射线。“中微子给了我们一条穿越迷雾的路。”

费雷德曼接受媒体采访时表示:“真的太激动了。43年了,我的理论终于得到了实验验证。”

当中微子通过时,碘化铯晶体内的原子核会发生反弹,哪怕信号只有一点点,碘化铯晶体也能产生可以检测到的闪光。在461天的实验数据中,他们总共观测到了134次中微子散射事件。

4.机器人制作的铝箔铅砖

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格兰萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory)的OPERA探测器捕捉中微子用到的材料还要更多一些。在意大利他们把这称为“duro”——这是一道由15万块18磅(大约8千克)重的“砖块”组成的“墙”。这些“砖块”里堆叠着铅片和对辐射敏感的胶片(它被称为核乳胶),然后用反光铝箔带裹好封装在密封容器中。当中微子撞击铅时,产生的其他粒子就会划过胶片留下一道痕迹。在胶片显影之后,这些痕迹就可用于分析。格兰萨索的11个“打砖机”机器人,它们每天可以制作750块这样的“砖块”。他们干活比研究生快,而且从不抱怨。

betway必威官网手机版 10探测中微子的“砖墙”。图片来自:jlgoslar.de

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费雷德曼接受媒体采访时表示:“真的太激动了。43年了,我的理论终于得到了实验验证。”

5.智能手机(对,做成手机应用)

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实际上,至少有两种此类应用。威斯康星大学麦迪逊分校的一位物理学家和洛杉矶创客空间(LA Makerspace)大众科学部门的主管一起开发了名为DECO的手机应用。这个教育类应用能记录手机镜头无意间拍摄到的高速宇宙射线(注:这个应用探测的目标是μ子,在运行时要将手机摄像头遮住,应用会分析拍到的照片并从中找寻μ子等粒子带来的闪光。要想收到成效,通常需要让它连续运行上24小时)。

来自加州大学欧文分校和加州大学戴维斯分校的另外两位物理学家也开发了一个类似的应用,叫作CRAYFIS。他们的目标是征集足够多的用户,利用大量的探测设备创造一个宇宙射线探测器的网络。

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6.一个“水晶球”

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斯坦福直线加速器中心国家加速实验室在上世纪70年代修建“水晶球”(Crystal Ball)探测器时,并不是要拿它来招引灵媒。他们把超过600个碘化钠晶体(其中含有少量激活剂铊)安装在一个13.5英尺的球里,用来测量SPEAR粒子对撞机中的中性粒子。这些晶体的工作方式与NOvA探测器中的液体相似,它们把撞击释放的能量转化成可以被探测到的光。这个探测目前仍在使用,它现在位于在德国美因茨的古腾堡大学,仍在使用。讽刺的是,它的未来却是不确定的。

7.南极,地下 

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当南极的企鹅低头看时,它们可能会发现86个钻入南极冰层超过1英里的洞中的几个——这是为冰立方(IceCube)实验准备的。当高能宇宙中微子撞击冰中的原子核时,产生的簇射粒子会发出被称作切伦科夫光的蓝色闪光(更多阅读:切连科夫辐射是怎么一回事?)。科学家使用超过5000个独立探测器组成阵列,在冰洞中穿成串,来寻找这些闪光。

betway必威官网手机版,8.南极,天上

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如果企鹅抬头看天,它们还有可能看到南极脉冲瞬态天线(Antarctic Impulsive Transient Antenna,简称ANITA)正乘着大型科学气球漂浮在它们头顶。ANITA可以接受来自冰层之下的电波。纯净的极地冰层是上好的阿斯卡莱恩效应介质。该效应在2000年时被实验观测到。宇宙中微子就像在冰立方实验中产生闪光一样,会在穿过冰层时产生特殊的电波信号。漂浮在空中的、探测这些电波的天线十分灵敏,它甚至可以探测到相距400英里(644千米)之外的手持无线电设备。

9.改造火星大气的候补成员

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如果我们能改造火星大气,让火星上的平均气温从-60℃上升到对人类更友好一些的程度,那么我们的后代或许就能够在这里欣赏壮丽的日落了。为了实现这一目标,一些研究者选择了八氟丙烷(octofluoropropane)作为温室气体的候选。而与此同时,加拿大的地下实验室SNOLAB则在PICO实验中使用液态八氟丙烷来探测暗物质。如果一个暗物质粒子能够足够强烈地撞击一个氟原子核,就会使得过热液体沸腾,从而在腔体中产生一个可以被观察到的气泡。

10.干冰,酒精和鱼缸

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这是一个你自己也可以动手搭建的装置,它也就是所谓的“云室”:让容器中充满过饱和蒸汽,带电粒子通过时会产生凝结核使蒸汽凝结显示轨迹。云室的发明者因此获得了1927年的诺贝尔物理学奖,而它的衍生品种们——包括上面第9条里用到的那个——在物理实验室中也有很长的应用历史,同时网上也能够找到很多DIY版本。制作的要点在于制备浓厚的酒精蒸汽,并用干冰降温达到过饱和。耐心等待,你将会抓住路过的粒子,例如宇宙μ子。它会撞进蒸汽分子当中,并在云室(鱼缸)中凝结出条状的云际(想知道云室要怎么做吗?看这里了解更多吧)。

插图作者:Sandbox Studio, Chicago

(编辑:窗敲雨,审稿:章鱼喵.时见疏星)

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