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从陆上到海底 捕捉“幽灵信使”

2024/1/11 10:17:27 来源:科技日报

近日,总投资2亿元、规划占地超2万平方米的中微子科普基地(科普馆)项目奠基仪式在广东省开平市金鸡镇举行。建成后,该馆将成为全国唯一一个以中微子为主题、具有国际水平的特色科普馆。

此前,科学家启动了“海铃计划”,将探索建设中国首个深海中微子望远镜,通过捕捉高能(亚TeV到PeV量级)天体中微子来探索极端宇宙。“海铃计划”将为我国科学家探测高能中微子,并利用其开展天文学、粒子物理学等学科的研究提供重要助力。

那么,中微子到底是什么?它为何能用来探索宇宙?为深入了解这些问题,科技日报记者采访了国家天文台副研究员金洪波。

中微子有着“幽灵信使”之称,是科学家观测宇宙的重要媒介。

金洪波告诉记者,要弄明白中微子探索宇宙的原理,首先要清楚中微子本身的性质。

人们最早注意到中微子的存在,是在观察原子核的β衰变时,发现释放出的电子动能总会小于理论最大值。这也就意味着,原子核在发生β衰变时,总会出现一定程度上的能量丢失。物理学家泡利在1931年做出预测,认为除了电子以外,在这个衰变过程中还释放了另一种粒子——中微子。

中微子是一种亚原子微粒,由基本粒子的弱相互作用过程产生,比如中子、缪子(μ子)和陶子(τ子)的衰变。中微子本身质量非常轻,不带电荷,且以接近光速的速度运动。因而其本身具备极强的穿透力,几乎可以穿透所有物质,包括人体、水、岩石、金属等。通过研究宇宙极端天体环境中产生的中微子,科学家便可以进一步分析产生中微子的天体源及包括黑洞喷流、超新星爆发在内的一系列天体物理过程。

但是,开展这种研究并不简单。由于中微子本身不带电,不能直接用电磁效应来捕捉它;同时,中微子与其他粒子的碰撞截面较小,难以被探测到。因此,在很长一段时间内,中微子的存在都仅停留于概念中。1956年,美国物理学家莱尼斯和柯万通过对大型裂变反应堆进行探测,第一次探测到了中微子。

经过几十年的不断探索改进,时至今日,科学家已经可以通过探测中微子与其他物质发生反应后伴随产生的次级粒子和信号,来完成对中微子的探测。 例如在南极的“冰立方”项目,就是监测中微子与原子相撞产生的μ介子所生成的切伦科夫光。通过捕捉切伦科夫光的信号,可以判断中微子和其他介质发生反应的时间。

在对中微子的参数进行测量时,一般存在两种选择:一种为利用人工制造的中微子源,如反应堆、加速器和放射性同位素等,实现对中微子参数的测量。如多国粒子物理项目“大亚湾核反应堆中微子实验”,利用位于广东省的核电站产生的中微子,探索中微子振荡时的一系列参数。另一种则是利用自然界的中微子源,如太阳、宇宙线和大气层等释放的中微子。高能量的宇宙线进入大气层后,会与空气中的原子核发生强作用和电磁作用,产生大量次级粒子,中微子便是其中之一。利用一定的介质,研究者便可以捕捉这些“从天而降”的中微子,进而展开研究。“海铃计划”便是在深海介质中使用新型探测模块来进行中微子探测。

“海铃计划”拟定建设1200根探测串列,将其垂直锚定于海床上,每根串列搭载约20个具有高灵敏度的光学探测球舱,舱内表面覆盖了多个有单光子探测能力的光电倍增管。同时,“海铃计划”利用光电倍增管之间的空隙安装超快时间响应的硅光电倍增器,进一步优化中微子探测性能,实现无死角的光信号收集。

“对中微子的探测,就像是用一只大碗去接天上落下的雨,我们的‘碗’,也就是望远镜的建设体积越大,能接到的‘雨’就越多,也就越具有统计学意义。”金洪波以一个生动的比喻解释了“海铃计划”的优势。

在未来,利用中微子与其他物质的作用,许多天文学难题或许都会被破解。

 


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