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天文学家提议在太平洋外修筑一个中微子探测器 中微子是什么

发布时间:2022-01-23   来源:    

  天文学家提议在太平洋外修筑一个中微子探测器中微子是宇宙中最难以捉摸的粒子之一,仅次于超神奇的暗物质。它们的数量相当可观——它们参与弱核力量,并对核聚变和衰变负责。所以任什么时候候发生核事件,中微子都参与其中。

  比如太阳的核心是一个很大的核聚变反应,自然会产生不少中微子。根据过去的研究,如果你把拇指举到太阳上,每秒大约有 600 亿个中微子穿过你的拇指。

  但是中微子很少与物质相互作用,尽管每秒有数以万亿计的中微子穿过你的身体,但在你的整个生命中,实际击中你身体的中微子总数大约是一个。

  中微子是如此的幽灵,几十年来,物理学家认为这些粒子完全没有质量,以光速穿过宇宙。但在大量证据开始堆积后,科学家们发现中微子的质量确实很小。

  究竟有多少质量是积极科学研究的问题。中微子分为三种:电子中微子、介子中微子和τ中微子。这些“味道”中的每一种都参与了不同类型的核反应,令人沮丧的是,所有三种中微子类型在它们旅行时都具有从一种身份转变为另一种身份的奥秘能力。因此,即使你确实设法看到了中微子并确定了它的类型,你也只知道你希望知道的一小部分。

  中微子的质量在粒子物理学的标准模型中没有解释,这是我们目前和最好的基本相互作用理论。所以物理学家真的很想做两件事:测量三种中微子的质量并了解这些质量的来源。这意味着他们必须做很多实验。

  大多数中微子探测器都非常简单:你要么设置一个设备在实验室中生成数量惊人的窃听器,要么构建一个很大的阵列来捕捉来自地球的一些中微子。

  这些实验取得了巨大发展,并且随着每一代人的进展而变得更大。例如,日本的 Kamiokande 实验著名地探测到了来自超新星1987A 的中微子。但他们需要一桶超过 50,000 吨的水才干做到这一点。

  近年来,南极洲冰立方中微子天文台加大了赌注。该天文台由南极洲一整立方公里0.24立方英里的冰组成,几十个埃菲尔铁塔大小的接收器沉入地表一公里0.6英里。经过十年的工作,冰立方已经发现了一些有史以来能量最大的中微子,并朝着寻找它们的起源迈出了试探性的步伐。提示:它涉及宇宙中真正的高能过程,比如blazars。

  为何神冈和冰立方都使用这么多水?几乎任何东西的一大块都可以用作中微子探测器,但纯净水是理想的。当数以万亿计的中微子中的一个碰巧撞击一个随机的水分子时,它会发出短暂的闪光。天文台包含数百个感光器,水的纯度使这些检测器能够非常准确地确定闪光的方向、角度和强度。(如果水有杂质,那么就很难在体积内重建闪光的来源。)

  从那里,他们可以重建进入中微子的原始方向并掌握它的能量。

  对于正常的平常中微子来说,这一切都很好。但最有活力的中微子极为罕见。然而,那些极其罕见的中微子也是最令人兴奋和有趣的,因为它们只能由宇宙中最很大的强大事件引起。

  不幸的是,经过十年的观察,冰立方的全部力量已经能够捕捉到这些超强中微子中的一小部分。

  所以我们需要一艘更大的船——探测器。

  这就是太平洋中微子实验 P-ONE 背后的想法,该实验在 11 月公布到预印本服务器arXiv的论文中描述了一项新提议:将大片太平洋变成大自然自己的中微子探测器。

  这个概念再一次变得出奇的简单:在太平洋上找到一个合适的、孤独的地方。很简单。构建长串光电探测器——我的意思是长,至少一公里长。将这些绳股沉入海底,深度最好超过一英里2公里。把漂浮物附着在它们身上,让它们像巨型机械海带一样直立在水中。

  P-ONE设计目前涉及7个10弦的星团,每个弦容纳20个光学元件。总共有1400个光电探测器漂浮在几英里宽的太平洋区域,覆盖范围比冰立方大得多。

  一旦它启动并运行,您只需要等待。甚至中微子也会撞击一些海水并发出一点闪光,探测器会追踪它。

  当然,这比听起来难。这些股将不断移动,与海洋本身一起来回波动。而太平洋……不那么纯净,到处漂浮着盐、浮游物种和各种各样的鱼屎。这将改变光线在光线之间的行为,使得精确测量变得困难。

  这意味着该实验将需要持续的校准来调整所有这些变量,并可靠地追踪中微子。然而,P-ONE背后的团队正在研究这个案例,并且已经计划构建一个更小的双股演示当作概念证明。

  然后,我们可以去寻找中微子。

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