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添加 Gd 稀土元素升级观测站,或将助已100 亿年的中微子再次现身

2020-08-25 15:08:46 综合报道 阅读:
中微子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,它个头小、不带电,可自由穿过地球,以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。最近,日本“超级神冈”(Super-Kamiokande)中微子观测站通过添加 Gd 稀土元素升级,或将助已100 亿年的中微子再次现身。

中微子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,它个头小、不带电,可自由穿过地球,以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。最近,日本“超级神冈”(Super-Kamiokande)中微子观测站通过添加 Gd 稀土元素升级,或将助已100 亿年的中微子再次现身。tCpednc

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New Atlas 报道称,日本“超级神冈”(Super-Kamiokande)中微子观测站刚刚迎来了一次相对简单的升级。这座位于地下的巨大设施,在水中添加了一种名为钆(Gadolinium,简称 Gd)的稀土元素,使之能够对来自遥远古老超新星的中微子更加敏感。tCpednc

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Super-kamiokande 内景(图自:ICRR / 东京大学)tCpednc

作为一种相当轻质的基本粒子,中微子很少与常规物质发生相互作用,因而能够不受阻碍地穿过大多数物体。以人体为例,每秒就有约数十亿个中微子穿过你的身体。tCpednc

不过在偶尔的情况下,中微子也会撞击原子中的电子。通过适当的观测,科学家们有机会研究这些碰撞。这也是 Super-K 之类的观测站最适合被埋在岩石或冰下,以避开其它辐射的一个主要原因。tCpednc

据悉,位于日本池野山山下方 1 公里(0.6 英里)的 Super-K,自 1996 年以来就一直在静待探测中微子。tCpednc

该设施主要拥有一个高 40 米(130 英尺)的巨大水箱,里面装有约 5000 万升(1300 万加仑)的超纯水,壁上衬有 13000 根光电倍增管。tCpednc

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当中微子进入水箱并撞击水分子时,就会产生微小的闪光。经由光电倍增管的放大,有助于光学传感器拾取相关信息。tCpednc

值得一提的是,根据起源的不同,这些中微子也具有不同的闪烁“指纹”,包括太阳、超新星爆炸、人工实验、核反应堆、或质子的衰变。tCpednc

遗憾的是,尽管超新星特别令人着迷,但这些事件并不经常发生。若将搜索范围扩大到其它星系(而不是仅限于我们所处的银河系内),即可增加可拾取的中微子数量。tCpednc

此事的难点在于,距离越远的信号就越微弱,甚至难以将之与背景噪声区别开来。好消息是,本次 Super-K 升级添加的 Gd 稀土元素,有助于显著放大那些来自遥远超新星的中微子信号。tCpednc

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7 月份的时候,研究团队已将约 13 吨的 Gd 化合物添加到了检测液中,使之达到了约 0.01% 的浓度。tCpednc

通过与一些中微子相互作用而产生中子,Gd 可与这些粒子相互作用而产生伽马射线闪光,使得光学传感器能够更容易地发现它们。更重要的是,这不会对其它中微子事件的监测产生负面影响。tCpednc

项目负责人 masakauki Nakahata 表示:“在 0.01% 的浓度下,Super-K 检测中微子碰撞中子的效率有约 50% ”。后续几年,他们还计划进一步提升效率,以期观察到来自遥远古老超新星的中微子信号。tCpednc

研究团队补充道,这项升级有助于 Super-K 探测到距今已有 100 亿年的超新星所产生的中微子,让我们有机会更好地了解粒子物理学、以及遥远的宇宙历史。tCpednc

中微子的发现及第一次现身

中微子(意大利语:Neutrino,其字面上的意义为“微小的电中性粒子”,又译作微中子)是一种电中性的基本粒子,自旋量子数为½,以希腊字母ν标记。现在已经有证据表明其具有质量。但其质量即使相比于其他亚原子粒子也是非常微小的。它可能是现在唯一一种已探测到的暗物质,是一种热暗物质。tCpednc

中微子个头小、不带电,可自由穿过地球,自旋为1/2,质量非常轻(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它,用了20多年的时间。tCpednc

1931年,泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出,这种粒子不是原来就存在于原子核中,而是衰变产生的。泡利预言的这个窃走能量的“小偷”就是中微子。1932年真正的中子被发现后,意大利物理学家费米将泡利的“中子”正名为“中微子”。tCpednc

1956年,美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子,莱因斯获1995年诺贝尔奖。tCpednc

由于中微子与其他物质的相互作用极小,中微子的探测器必须够大,以求能观测到足够数量的中微子。为了隔绝宇宙射线及其他可能的背景干扰,中微子的探测仪器时常设立在地底下。由美国国家科学基金会提供的照片显示的是位于南极站的“冰立方天文台”,这是世界上最大的中微子探测器。tCpednc

2013年11月23日,科学家首次捕捉高能中微子,被称为宇宙"隐身人"。tCpednc

多国研究人员11月21日在美国《科学》杂志上说,他们利用埋在南极冰下的粒子探测器,首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。科学家评论说,中微子天文学从此进入新时代。中微子是一种神秘的基本粒子,不带电,质量极小,几乎不与其他物质作用,在自然界广泛存在。它能自由地穿过人体、墙壁、山脉乃至整个行星,难以捕捉和探测,因而被称为宇宙中的“隐身人”。tCpednc

中微子谜团

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;tCpednc

其次,中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知;tCpednc

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;tCpednc

第四,它有没有磁矩;等等。tCpednc

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。tCpednc

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责编:ChalleytCpednc

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