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美超级加速器:6年寻100个中微子

 中微子是一种难以捉摸的基本粒子,有三种类型,即电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们质量非常小,不带电。太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子。它极难被探测,几乎不与物质发生相互作用,被称为“鬼粒子”,可以轻松地穿过人体、建筑,甚至地球,不带来任何影响。所以,中微子在概念被提出11年后,科学家才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子的存在。中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源与演化有关,例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

 中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到,大小未知;其次,它的反粒子是它自己还是另外一种粒子;第三,中微子振荡还有两个参数未测到,而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关;第四,它有没有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。

据国外媒体报道,近日明尼苏达州的技术人员开始安置大型中微子探测器的第一部分,这是北美地区最大、最先进的中微子探测实验计划,即美国国家费米实验室NuMI离轴中微子实验(NOvA),主要研究中微子的性质,比如它们的质量等信息,以及调查它们是否在宇宙大爆炸时期中微子与反物质以同等数量出现后介入了物质与反物质不对称机制中。

目前科学家发现中微子只参与弱相互作用

萨德伯里中微子观测站的中微子探测器

根据NuMI离轴中微子实验主任、明尼苏达大学本科生科研负责人马文·马尔沙克(Marvin Marshak)介绍:“该中微子实验将在2013年开始收集数据,这代表了整个NuMI离轴中微子实验计划一个部分的数个月研究成果。”中微子是一种基本粒子,是粒子物理学标准模型的基本构成模块,中微子几乎不与其他物质发生相互作用,只介入弱相互作用中,它们可以直接穿过数百英里以上厚度的岩石介质,比如天体。

NuMI离轴中微子实验将使用美国能源部下属的费米国家加速器实验室芝加哥附近的中微子注入发生器,击中近500英里外的位于明尼苏达灰河(Ash River)的中微子探测器。这将会生成世界上最强大的中微子束,过程耗时将小于三毫秒。负责探测器现场组装技术人员使用750,000磅的单旋转机器吊装一个重达417,000磅的探测器组件,这仅是28个探测器组件之一,中微子探测器组装完成后将长达300英尺,这个过程将需要多天才能完成。

每个探测器模块尺寸为51×51×7英尺,由聚氯乙烯模块组成。大约有170名明尼苏达大学的学生参与了中微子探测器的组建。美国能源部阿贡国家实验室的科学家和工程师研发了这台中微子探测器,并负责现场组装。费米国家实验室的科学家和工程师们主要研制吊装探测器的单旋转机器和确定组装表。NuMI离轴中微子实验副主任、费米实验室的物理学家里克·特萨雷克(Rick Tesarek)认为在过去的一年过时间里,两个实验室共十多名科学家、工程师和技术人员一直工作于中微子探测器的组装现场。

一旦将中微子探测器安装到位,研究人员将使用液体闪烁体来填充探测器,这是因为当中微子与这些液体发生接触时,它们会产生带电粒子并释放出可探测的电信号。目前科学家发现中微子有三种,即电中微子、μ中微子和τ中微子,三种不同类型的中微子震荡可以在“味”变之间发生转换。

目前全球有数个中微子探测实验,每个人都在期望哪个探测器能揭开中微子之谜,来自美国印第安纳大学的物理学家、NuMI离轴中微子实验联合发言人马克·梅西耶(Mark Messier)认为NuMI离轴中微子实验具有独特的优势,可以发现三种中微子的属性。NuMI离轴中微子实验场所第一次破土动工于2009年5月,建造了明尼苏达大学的物理学和天文学实验室。

本项中微子探测实验将用到两台探测器,一台是重大330吨的费米实验室探测器和一台位于美国与加拿大边境上的探测器,科学家通过这些装置寻找中微子束随着传播进行而发生的变化。中微子探测器将在2013年收集数据,2014年初完成。位于费米实验室的加速器目前处于为期一年的关闭状态,这台加速器是本项实验的关键。费米实验室将提升加速器电源从320千瓦升至700千瓦,NuMI离轴中微子实验的科学家预计在未来六年的操作期内收集到大约100个中微子事件

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