追尋”幽靈粒子”的巨獸: 盤(pán)點(diǎn)世界頂級中微子探測器

中微子、中微子震蕩、反中微子……它們都在哪里被“捉到”？

大家或許知道，中微子幾乎沒(méi)有質(zhì)量，運動(dòng)速度接近光速。作為“幽靈粒子”，曾三十余載隱藏在科學(xué)家的視野之外。它產(chǎn)生于放射性元素的衰減，太陽(yáng)，星辰，都可能釋放出中微子。它們能夠穿過(guò)物質(zhì)傳播而幾乎不受影響。研究中微子可以幫助我們理解關(guān)于宇宙的奧秘，然而科學(xué)家是怎樣探測到這些奇特的粒子呢？讓我們看看這些龐然大物。

高純鍺探測器陣列

Kai Freund/University of Tübingen

GERmanium Detector Array (GERDA) 位于意大利格蘭薩索實(shí)驗室，通過(guò)對隔離在深山中的純鍺晶體中的電流活動(dòng)進(jìn)行監測來(lái)尋找中微子。運行GERDA的科學(xué)家們希望能夠發(fā)現一種非常罕見(jiàn)的放射性衰減。

理論上講，137億年前的那場(chǎng)宇宙大爆炸造就了等量的物質(zhì)和反物質(zhì)。當物質(zhì)與反物質(zhì)發(fā)生碰撞，即彼此毀滅，只留下能量。

如果科學(xué)家能夠發(fā)現那種衰減，那很可能意味著(zhù)中微子可以同時(shí)作為粒子和反粒子存在著(zhù)。這將幫助解釋宇宙中為什么存在著(zhù)諸多物質(zhì)，為何我們今天生活在這里。

薩德伯里中微子觀(guān)測站

SNOLAB

加拿大薩德伯里中微子觀(guān)測站 (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) 于上世紀80年代建于1600米深的地下，最近改造升級為SNO+。

SNO+將探測來(lái)自地球、太陽(yáng)甚至超新星的中微子。在其核心部位的巨型塑料球體內填充著(zhù)800噸特殊的物質(zhì)，稱(chēng)為液體閃爍體。整個(gè)球體被“水殼”所環(huán)繞，并用繩索固定。它被約一萬(wàn)個(gè)極其敏感的光檢測器監控著(zhù)，也就是所謂的光電倍增管 (PMTs)。

當中微子與探測器中其他粒子發(fā)生接觸時(shí)，可在液體閃爍體中制造出光，而PMTs能夠對此進(jìn)行捕捉。

正是在原有SNO的基礎上，科學(xué)家們才發(fā)現了中微子的三種形態(tài)。

冰立方中微子觀(guān)測站

Ian Rees/IceCube/NSF

阿蒙森-斯科特南極站矗立著(zhù)世界最大的中微子觀(guān)測站。多達5160個(gè)探測器分布在南極的冰層之下，以尋找源自宇宙中諸如恒星爆炸、黑洞和中子星等極端事件產(chǎn)生的高能中微子。

據報道，當中微子闖入冰層中的水分子時(shí)，釋放的亞原子粒子高能爆發(fā)，波及范圍可達多個(gè)城市街區。這些粒子運動(dòng)極快，并發(fā)出一種錐形輝光，即切連科夫輻射 (Cherenkov radiation)。這正是冰立方探測器要捕捉的東西。

科學(xué)家們希望借此信息還原中微子的運行路徑，辨認它們的來(lái)源。

大亞灣中微子實(shí)驗室

Roy Kaltschmidt/Lawrence Berkeley National Laboratory

我國大亞灣的山區內埋藏著(zhù)三個(gè)中微子實(shí)驗廳。其中8個(gè)柱形探測器每個(gè)都包含著(zhù)20噸的液體閃爍體，周?chē)鷦t有上千個(gè)光電倍增管。它們被置入純水池中，以阻擋任何環(huán)境中的輻射。

附近的一組核反應堆不斷地產(chǎn)生著(zhù)巨量的電子反中微子。這些反中微子接觸到液體閃爍體，釋放出輝光，并由光電倍增管捕捉。

大亞灣中微子實(shí)驗室旨在研究中微子振蕩。同中微子一樣，反中微子也在不同的形態(tài)間轉換。大亞灣的科學(xué)家們希望弄清在最遠端探測器中有多少反中微子因改變形態(tài)而避開(kāi)了探測。

超級神岡探測器

Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo

超級神岡探測器 (Super-Kamiokande, Super K) 是在日本西部神岡町的茂住礦山一個(gè)深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。巨大的探測器中包含五萬(wàn)噸純水，以及近11200個(gè)光電倍增管。所以設備維護需要工作人員乘船前往。

與冰立方相似，神岡探測器也通過(guò)切連科夫輻射來(lái)捕捉中微子。1998年，神岡探測器戰勝了SNO，率先發(fā)現中微子振蕩的證據，并揭示出中微子也有微小的質(zhì)量。

目前，研究人員正在發(fā)射長(cháng)達289公里的中微子束，以進(jìn)一步研究中微子振蕩。未來(lái)，他們還將進(jìn)行五倍于此距離的中微子束實(shí)驗。

原文鏈接

http://www.businessinsider.com/physics-experiments-designed-to-detect-neutrino-ghost-particle-2016-5/

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