粒子探测器“冰立方”：藏在南极的中微子“捕手”
“冰立方”是世界上最大的粒子探测器，座落于南极。5000多个传感器像神经末梢一样分布在南极深厚的冰层中，组成了这张特制的“网”，用于捕捉中微子，由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的200余名物理学家和工程师组成的合作小组来操作。http://www.wokeji.com/qyts/1_qykj/201312/W020131205278267271093.jpg位于美国阿蒙森-斯科特南极站（Amundsen-Scott South Pole Station）的冰立方天文台在朝霞中迎接破晓，这里是科学家们处理冰下传感器数据的地方。http://www.wokeji.com/qyts/1_qykj/201312/W020131205278267313736.jpg①科学家正在标示一架粒子探测传感器，它是冰立方中微子天文台上的部分装置，该天文台于2010年12月份在南极建造完工。http://www.wokeji.com/qyts/1_qykj/201312/W020131205278267346853.jpg②冰立方建设小组的成员在测试传感器（图左部分显露），另一位科学家正在将一个单独的传感器挂在电缆上。http://www.wokeji.com/qyts/1_qykj/201312/W020131205278267379267.jpg③在这张拍摄于2010年12月的照片中，一架冰立方传感器正在被放入钻好的冰洞中，这样的冰洞共有86个。就像英国粒子天体物理学家素比·萨卡尔（Subir Sarkar）教授所说：“你不是想研究天上吗？可你却把自己埋进地下”。果然，被安装于南极深厚冰层之下的 “冰立方”传来了好消息。就在嫦娥三号成功发射的几天前，一项宇宙射线研究有了最新结果，被称为“冰立方（IceCube）”的中微子探测器首次探测到来自外太空的中微子。新闻缘起“冰立方”捕获来自太阳系外的中微子在分析了2010年5月至2012年5月“冰立方”收集的数据后，科学家发现了28个高能中微子，其能量都超过30万亿电子伏特。这是自1987年以来，科学家们首次捕获到来自太阳系外的中微子。微中子是一种神秘的高能粒子，是宇宙内最剧烈的撞击产物，并被认为是研究宇宙射线的突破口。研究人员表示，“冰立方”为我们打开了宇宙的一个新窗口。这一发现为进行新型天文学研究铺平了道路，我们可以利用探测器探测银河系以及银河系以外的遥远区域。研究报告的作者之一、阿德莱德大学的加里·希尔博士称：“这是我们发现的第一个坚实证据，证明我们探测到来自太阳系以外‘宇宙加速器’的高能微中子。”“捕手”揭秘5000多个“神经末梢”“冰立方”是世界上最大的粒子探测器，座落于南极。5000多个传感器像神经末梢一样分布在南极深厚的冰层中，组成了这张特制的“网”，用于捕捉中微子，由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的200余名物理学家和工程师组成的合作小组来操作。自2004年开始，工程师们都会在每年的12月到南极冰层中铺设光线感应器。到2010年，他们一共钻了80余个深达2500米的冰洞，每两个洞之间相隔800米，而每一条冻结在洞里面的电缆包含有60个光线感应器。“冰立方”历时10年建成，这个位于南极地下约2.5千米的探测器体量大得惊人。有报道称，“冰立方”体积达到1立方公里，超过纽约帝国大厦、芝加哥威利斯大厦和上海世界金融中心的总和。南极冰雪充当过滤网此前，“冰立方”有前辈们被建立在了深达1千米的地下矿井中。但研究者认为，南极是进行此项研究的最佳场所，因为这里的冰雪异常纯净，几乎完全不含气泡和其他可能影响探测结果精确性的干扰。并且，冰充当了一个过滤网，过滤出中微子，使其更容易被观测到。此外，冰层也能保护望远镜免遭辐射侵蚀。科学家们表示，随着更多的数据从“冰立方”中产出，不仅将帮助科学家确定宇宙射线的来源、暗物质和宇宙进化的影响等现象，它还会发现一些意想不到的现象。探测原理捕捉一闪即逝的蓝光当宇宙射线中的高能粒子轰击其他物质原子，将产生辐射和中微子。中微子是宇宙中除了光子之外最多的粒子。但是它们却是最难以探测的粒子，因为它们不带电荷，并且几乎没有质量，这意味着它们可以畅通无阻的穿过岩石、金属，甚至人体。来自果壳网的文章称，中微子是粒子世界里出了名的“隐士”。它无影无踪，又来去匆匆。它几乎以光速运动，从它初生的地方沿着直线飞射出去。它的穿透性极强，拦在它路上的所有物质几乎都被无视。对它来说，太阳、地球乃至人体几乎就和不存在一样。每秒钟都会有一千万亿个来自太阳的中微子穿过人的身体，其中上百亿穿过眼睛，甚至在夜晚，太阳位于地球另一边时也一样。在极少的情况下，中微子会撞到原子。这样的结果是产生一种叫作μ子的粒子（这是中微子的一种）以及一种特征蓝光闪烁，探测器可以捕获这种闪烁（高速中微子在通过介质时，如果其速度大于光在这种介质中的传播速度，会产生蓝色辉光，即切连科夫辐射）。“冰立方”中，中微子在与冰层中的氧原子发生相撞时，撞击会产生微弱的蓝色闪光，并且科学家可以根据蓝光判断微中子飞入探测器时的方向和能量。“冰立方”的前辈萨德伯里中微子观测站萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory，缩写为SNO）是一个位于加拿大安大略省2100米深的镍矿中的中微子探测器，根据高速中微子在水中运动产生的切连科夫辐射探测中微子。萨德伯里中微子观测站于1999年5月正式启用，2006年11月28日关闭，但数据分析工作还在继续进行。萨德伯里中微子天文台也是根据切连科夫辐射间接探测中微子。它的主要部分是一个直径12米的球形容器，里面装有1000吨重水，容器壁用丙烯酸树脂制成，厚度为5厘米，容器的周围安装了9600个光电倍增管，用于探测切连科夫辐射的光子。整个探测器浸泡在30米高的装满普通水的圆柱形容器中，安装在安大略省萨德伯里附近国际镍业公司的矿井里，深度达到6800英尺（2100米），这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽，以减轻干扰。超级神冈探测器超级神冈探测器（Super-Kamiokande）是日本建造的大型中微子探测器，最初目标是探测质子衰变，也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。它于1982年开始建造，1983年完工，位于日本岐阜县的一个深达1000米的废弃砷矿中，主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，盛有5万吨高纯度的水，容器的内壁上安装有11200个光电倍增管，用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。1985年，探测器开始进行扩建，名为神冈核子衰变实验Ⅱ期（KamiokaNDE-Ⅱ），灵敏度大大提高。1987年2月，神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。不得不说的大亚湾发现中微子第三种震荡模式中微子共有三种类型，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡。中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实，其发现者凭此获得了2002年诺贝尔奖，但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。由于科学意义重大，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案寻找中微子第三种振荡，最终进入建设阶段的共有3个。2003年，中国科学院高能物理研究所的科研人员提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡，并提出了实验和探测器设计的总体方案。由于这一方案具有独特的地理优势和独到的设计，得到了国际上的广泛支持，汇集了来自中国大陆、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾等国家和地区的200多名科学家共同参与。大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，它通过分布在三个实验大厅的8个探测器来获取数据。每个探测器为直径5米、高5米的圆柱形，装满透明的液体闪烁体，总重110吨。周围紧邻的核反应堆产生海量的电子反中微子，近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中，科研人员使用了6个中微子探测器，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明中微子第三种振荡几率为9.2％，误差为1.7％，从而首次发现了这种新的中微子振荡模式。
页:
[1]