江南捕捉高能中微子，粒子天体物理家格陵兰岛冰层下设“陷阱”—新闻—科学网
时间：2024-06-01 12:24:51 已阅读:77次
7月的北极圈正处极昼。于全世界最年夜岛屿格陵兰岛的冰原高处，粒子天体物理学家正于寻觅宇宙中最强加快器带来的 中微子 。
经由过程于冰面及其下方数十米处放置数百个无线电天线，他们但愿以 捕捉 到比以往更高的中微子。 这是一个摸索呆板，正于寻觅更高能量下的第一个中微子。 芝加哥年夜学的物理学家 Cosmin Deaconu 于格陵兰岛峰顶研究站先容道。 此前，人类发明的能量最高的粒子来自欧洲核子研究中央的年夜型强子对于撞机，可以或许加快到7 TeV（1TeV=1万亿电子伏特）。而于北极探测到的中微子能量是年夜型强子对于撞机粒子能量的1400多倍。图：欧洲核子研究中央的年夜型强子对于撞机 甚么是中微子？ 中微子神秘莫测，被以为是粒子界的 蓬菖人 ，它是一种于放射性衰变以及核聚变中孕育发生的粒子。 中微子不带电荷，险些没有品质，并且与其他物资之间的彼此作用极为幽微。是以，一颗高能中微子可以穿梭整整一光年厚的铅层，而险些不会打搅此中任何一个原子，造成了能量不守恒的假象。 20世纪20年月末，科学家于研究 衰变（即原子核辐射出电子改变成另外一种核）时，发明这个历程中有一部门能量不翼而飞。奥地利物理学家泡利对于能量守恒定律笃信不疑，在1930年提出：能量吃亏的缘故原由是有一种不带电的、品质极小的新粒子带走了缺掉的能量以及动量，因为与其他物资之间的彼此作用极弱，以是没法被探测到。他把这类未知的粒子叫做 小中子 ，就是此刻说的 中微子 ，意义是微型的中性粒子。 1956年，美国物理学家莱茵斯于一个核反映堆发射的中微子大水中，经由过程中微子与组成原子核的质子碰撞时发出的频闪初次证明了中微子的存于。他也由于这项结果于1995年得到了诺贝尔物理学奖。 中微子有何作用？ 地球上各个处所的探测器偶然会记载到超高能 (UHE) 宇宙射线的到来。这些原子核以极高的速率撞击年夜气层，致使单个粒子包罗的能量以及一个击球精良的网球同样多。研究职员想要查明它们的来历，但因为原子核����APP带电，太空中的磁场扭曲了它们的路径，使它们的发源恍惚不清。理论以为，当超高能 (UHE) 宇宙射线从源头发出，于碰撞来自宇宙微波配景的光子时，会孕育发生所谓的 宇宙中微子 。因为不带电，这些中微子像箭同样笔挺地飞向地球。图：耀变体将中微子以及伽马射线射向地球 这就是中微子的作用地点：它是除了了电磁波外，携带着宇宙中核反映信息的另外一位信使。天体的核反映会发射出中微子，它们以光速穿梭星系，且不与遍布宇宙的电磁波辐射发生彼此作用，星系的磁场也不会对于它们孕育发生影响，其携带的最原始的信息患上以被保留。云云非凡的性子使中微子可用在研究深空中所发生的一些天文征象。是以，自引力波以后，人类摸索宇宙的下一个庞大发明被以为也许就藏于宇宙中微子中。 怎样探测中微子？ 中微子难以捉摸的特征也致使了中微子的探测极度坚苦。尽人皆知，中微子险些不会与物资彼此作用。这使患上此时现在，无数万亿个中微子穿透读者的身体，只要少少数的中微子会与身体里的原子发生彼此作用，从而袒露出它们的行迹。是以，必需监测年夜量物资才气捕捉少许与原子碰撞的中微子。 此类最年夜的探测器是位在南极洲的 冰立方 （IceCube）中微子天文台。其位在南极洲约2.4千米深的冰层下1立方千米的冰块内，由86根设备了传感器的电缆所构成，每一根电缆包罗有60个光学传感器，这5160个传感器的任务就是不雅察冰层里中微子与原子碰撞孕育发生的闪光。 传统的中微子探测器，好比位在日本的 超等神冈(super-kamiokande) 探测器是水罐，成立于烧毁的矿井之下。而 冰立方 中微子天文台的巨细为超等神冈的2万倍，但成本仅为其2倍。南极 冰立方 中微子天文台 南极 冰立方 中微子天文台 自 2010 年竣工以来， 冰立方 已经探测到很多深空中微子，但只要少数几个被称为Bert、Ernie以及Big Bird的深空中微子能量靠近 10 拍电子伏 (1PeV=1000TeV，1000万亿电子伏特)。 这是宇宙中微子的预期能量 ，乌普萨拉年夜学传授、 冰立方 团队成员的Olga Botner说， 为了于合理的时间内探测到能量更高的中微子，咱们需要监测更大要积的冰。 中微子探测的最新进展 另有一种探测要领是哄骗中微子撞击孕育发生的另外一个旌旗灯号：无线电波脉冲。因为波于冰内流传的间隔可达1千米，以是于接近冰面之处，漫衍广泛的无线电天线阵列可以监测到更大要积的冰，且成本比 冰立方 更低。 由芝加哥年夜学、布鲁塞尔自由年夜学以及德国加快器中央 DESY带领的格陵兰岛射电中微子天文台 (RNO-G) 是第一个协同测试该观点的工程。到 2023 年建成后，RNO-G将拥有 35 个站点，每一个站点包罗24个天线，总面积达 40 平方千米。此前，该团队于格陵兰岛冰原顶端美国运营的峰顶研究站四周安装了第一个站点，并已经转移到第二个站点。 团队但愿捕捉的深空中微子被以为起源在激烈的宇宙 引擎 最有可能的能量来历是吞噬着周围星系物资的超年夜品质黑洞。 冰立方 已经经追踪到的两个能量低在 Bert、Ernie 以及 Big Bird 的深空中微子便来自具备年夜品质黑洞的星系 这注解科学家的研究于准确的轨道上。但科学家还需要更多能量更高的中微子来证明这一接洽。 除了了确定UHE 宇宙射线的来历以外，研究职员还但愿中微子能显示出这些粒子是怎么来的。今朝，探测UHE宇宙射线的两种重要仪器于组成上有所差别。来自犹他州千里镜阵列的数据猜度它们彻底由质子蜕变的，而阿根廷的皮埃尔 奥格天文台暗示质子中混淆了较重的原子核。由这些粒子孕育发生的中微子的能谱应该按照它们的构成而有所差别 这反过来又可认为它们的加快体式格局以及加快位置提供线索。 工程卖力人之1、弗里德里希亚历山年夜年夜学埃尔兰根 - 纽伦堡分校的Anna Nelles 暗示，RNO-G 可能会捕捉充足多的中微子，从而展现这些较着的能量差异。她预计 RNO-G 每一年可能捕捉多达3个宇宙中微子。可是， 假如不交运的话，探测到的数目可能会很是少，甚至在只探测到一个可能就需要数万年。 纵然 RNO-G 被证实是一个等候游戏，它同时也是一个更年夜的无线电阵列测试平台，漫衍跨越 500 平方千米，规划作为 冰立方 进级的一部门。假如宇宙中微子存于，第二代 冰立方 会找到它们，并解决它们是甚么的问题。 出格声明：本文转载仅仅是出在流传信息的需要，其实不象征着代表本消息网不雅点或者证明其内容的真实性；如其他媒体、消息网或者小我私家从本消息网转载使用，须保留本消息网注明的 来历 ，并自大版权等法令义务；作者假如不但愿被转载或者者接洽转载稿费等事宜，请与咱们联系。/江南