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捕捉幽灵粒子,新一代微中子探测设备将在数年内启用


2020-07-11


捕捉幽灵粒子,新一代微中子探测设备将在数年内启用

前阵子科学家刚界定出幽灵粒子「微中子」的最大质量上限,但这远远不够替现代物理谜团解谜。为了更深入理解微中子特性,有 3 个新的微中子实验设备即将在未来启用。

1930 年,奥地利理论物理学家沃夫冈·包立首度提出微中子假说,人们开始认识并爱上这种幽灵般的粒子──它们有一点点质量,比电子还要轻 1,000 倍;它们可以从一种「味」变成另一种「味」,但我们还不确定转变的机制。

每当物理学家又不理解某些东西时,他们就会非常兴奋,因为谜底可能出现在已知的物理常识之外,而被看做暗物质第一候选人的微中子,很可能藏有宇宙大爆炸的线索。

然而微中子非常小,也不参与强交互作用和电磁交互作用,非常难检测,现有较着名的微中子探测设备包括:日本的超级神冈探测器、加拿大的萨德伯里微中子观测站、位于南极洲的 IceCube 微中子观测站等,虽然已经取得不少微中子研究成果,但想要更深入理解微中子未解特性,科学家需要灵敏度更高的新设备。

根据《Live Science》整理,不久后将有 3 个新一代微中子设备启用投入检测。

深层地底微中子实验(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)

这座巨大的设备整体位于地表下方 1.5 公里深,将从美国伊利诺伊州的费米国立加速器实验室,一路延伸 1,300 公里直达南达科他州的桑福德地下研究设施(SURF),首先费米实验室设备将质子束加速至接近光束并产生不稳定粒子,接着这些粒子进入一个极长的隧道,于传播过程中发生衰变并产生微中子,最后由桑福德地下研究设施一个含有 40,000 吨液态氩的探测器捕获。

主要科学目标包括:全力搜寻目前已知的 3 种微中子、质子衰变、确认 3 种微中子质量大小的排序、研究超新星和中子星或黑洞的形成。

超巨型神冈探测器(Hyper-Kamiokande,缩写 HK)

1999 年,日本科学家小柴昌俊(Takaaki Kajita)利用超级神冈探测器(Super-Kamiokande,缩写 Super-K、SK),侦测到微中子振荡的第一个确切证据,指出微中子可以在 3 种不同的「味」之间转换,进一步证明微中子具有质量,而非粒子物理标準模型中预言的零质量,小柴昌俊也因此荣获 2002 年诺贝尔物理学奖。

只不过这次实验只测出了不同「味」之间的微中子质量差,依然没测出微中子的绝对质量,因此日本将推出更先进的超巨型神冈探测器(Hyper-Kamiokande,缩写 Hyper-K、HK),预计于 2020 年 4 月开工建设,2025 年投入使用。

这 2 个神冈探测器的仪器设置都非常简单:Super-K 主要包含一个盛有 5 万吨 100% 超纯水的不鏽钢圆柱容器,容器内壁装有 11,200 个光电倍增管(Photomultiplier,PMT),用来放大极其微弱的光讯号——微中子与水中的氢原子、氧原子交互作用过程中,所产生的契忍可夫辐射(蓝光)。

Hyper-K 则是 Super-K 的放大版,其不鏽钢圆柱容器容量高达 2.64 亿加侖,为 Super-K 的 20 倍,也就是说 Hyper-K 能收集 20 倍的微中子数量。2025 年起,这座探测器将开始寻找来自宇宙的微中子,比如超新星。

精密冰立方微中子观测站下一代升级(PINGU)

嗯……做为冰立方微中子天文台 (IceCube)的升级版,这座精密冰立方微中子观测站(Precision IceCube Next Generation Upgrade)的缩写念法就是 PINGU──如果你看过企鹅家族就会恍然大悟。

IceCube 有数千个探测器位于南极冰层之下,分布範围超过 1 立方公里,被设计用来观测能量约 1TeV 的微中子。然而这是 IceCube 的优点也是缺点,IceCube 无法探测到能量较低的微中子。

PINGU 目的就是补足 IceCube 的缺陷,到时候它的设置地点将位于 IceCube 附近,专门负责捕捉低能微中子、协助确认微中子质量、检测涛微中子,并寻找大质量弱交互作用粒子湮灭。



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