深层地幔和外太空再次测到中微子,十大不寻常

2019-11-15 21:14栏目:奥门新萄京娱乐场
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(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)

图片 3 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。

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。

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