【中微子探测器】盘点历史上八个著名中微子实验:IMB探测器等

2019-12-28 - 中微子

在霍姆斯塔克实验环境建成并开始运行后,研究人员发现了一种奇特的现象。根据他们的计算,太阳的中微子应该比他们实际探测到的三倍还要多。因此,科学家们从头再来,试图寻找计算过程中的错误和漏洞,并更正估算结果。

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但是,他们仍然无法发现自己错在哪里。霍姆斯塔克实验运行了30多年,总是得出同样的结果。天文学家怀疑自己的太阳模型可能是完全错误的。这一问题一直持续到上世纪90年代中期。这时,研究人员发现了中微子其实有三种不同的类型,β衰变过程中或太阳内部产生的中微子是电子中微子,而其他过程中产生的粒子则是缈子中微子与涛中微子,霍姆斯塔克实验中探测到的就是电子中微子。

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在从太阳飞往地球的过程中,电子中微子会转变成其他类型。因此,霍姆斯塔克实验就无法探测到其他两种中微子。

随着新探测器的出现,三种中微子都被探测到,那这种谜团就不再存在。这一发现意义重大。此前,一些科学家认为中微子没有质量,而不同类型中微子之间的转变需要粒子拥有质量。2001年,加拿大萨德伯里中微子实验室探测到所有三种来自太阳的中微子。

3、发现中微子实验

本图所示内容为,美国物理学家克莱德-科万(Clyde Cowan)和弗里德里奇-雷恩斯(Frederick Reines)宣布发现中微子的电报。1956年,研究中微子的物理学家们有了新的研究手段。在中微子被假定存在的最初25年内,美国人在原子武器项目中建起了多个核反应堆。

许多研究人员认识到,这些核反应堆每秒每平方英寸(约6.45平方厘米)内辐射出300万亿个中微子,因此可以用来探测中微子。尽管中微子很难与其他物质结合,但是也存在一种微弱的可能性,即存在足够多的物质,一个中微子应该可以撞击到某种事物。

在β衰变的反过程中,这种直接撞击可以产生伽马射线。当时,物理学家克莱德-科万和弗里德里奇-雷恩斯研制一个探测器并置放到南卡罗来纳州萨瓦那河电厂附近,只要反应堆开启,他们的实验就有可能首次探测到中微子。

两位科学家用强大的核反应堆作实验,终于比较精确地获得了中微子存在的确凿证据。虽然科万于1974年就已去世,但雷因斯却因此于1995年荣获诺贝尔奖。

4、β衰变

美国伊利诺伊州西北大学的理论物理学家安德烈( Andre de Gouvêa)说:“中微子的发现有一个不寻常的历史。” 科学家们最早是在β衰变过程中开始关注这种微型粒子的。20世纪初,研究人员注意到β衰变中的一些奇怪现象。

如果释放出来的粒子只有电子,那么β衰变这个过程似乎违背了能量守恒和动量守恒的物理学定律。当时没有人知道为什么会出现这种现象。然而,在每个新实验结果中,违背物理学定律的证据变得越来越有力。

20世纪30年代,物理学家沃尔夫冈-保罗(Wolfgang Pauli)开始怀疑,核衰变过程可能比此前认为的更复杂。如果一个原子在β衰变过程中也辐射出其他事物,那么这些违背物理学定律的矛盾就迎刃而解了。

这种所谓的其他事物,应该就是中微子。但是,如果中微子存在,它们必须非常轻,而且难以交互。没有人看到过符合这种条件的粒子,也没有人想到较好的办法去发现它们。在相当长一段时期内,科学家一直认为探测中微子是不可能的。

5、IMB探测器

本图所示,一名潜水员在美国俄亥俄州的IMB探测器(the Irvine-Michigan-Brookhaven detector)中游泳。这个探测器建造于上世纪80年代初,本来用于探测质子是否衰变,反而帮助科学家发现了大气中微子的振荡。

上世纪80年代,科学家被一个与中微子无关的问题所困扰。一些理论家认为,被公认为稳定的粒子--质子应该可以衰变成更轻的亚原子粒子。如果这一说法正确,那么这将是物理学家长期以来梦寐以求的结果,从而可以形成一个统一的理论,将电磁作用力、强作用力和弱作用力理论融合在一起。

如果质子会衰变,这将会对地球上的生命造成很大的麻烦,人体内的原子可能混乱地转变成其他元素。因此,理论家认为,质子可能会衰变,但速度极为缓慢,时间表甚至比宇宙年龄的20个数量级还要长。

为了验证这一结论,科学家们在一个盛满水的大容器中监测质子的数量。为了保证实验不受干扰,实验环境必须建设于地下。闯入大气层的宇宙射线也可能会产生中微子,这些中微子可能会进入地下。由于穿过探测器的中微子看起来非常像一个衰变的质子,因此研究人员需要弄清楚他们可能会看到多少中微子。

在测量过程中,科学家们发现了非常怪异的现象。来自实验环境以上的中微子要远远多于下部抵达的中微子,比例大约是2:1。历经10年的困扰,科学家们终于发现,中微子在飞行过程中,来自地底的中微子有时间转变成不同类型的中微子,由于实验设备只对一种中微子敏感,因此就错过了发生变异的其他中微子。

这一发现证明了中微子在长距离飞行过程中会发生性质的转变。

本来用于探测质子的实验,发现了中微子的重要特征。相反,直到今天,仍然没有人能够发现质子衰变。

6. 液体闪烁器中微子探测器实验

本图所示,一位物理学家蹲在液体闪烁器中微子探测器中。液体闪烁器中微子探测器(LSND)发现了电子反中微子,因此闻名于世。1993年,科学家们在洛斯阿尔莫斯国家实验室中建造了液体闪烁器中微子探测器,他们的目的就是弄清楚中微子是否能够从一种类型转变成另一种类型。

对于这一怪异的发现,最好的解释就是新的物理学发现。液体闪烁器中微子探测器的发现表明可能存在第四种或更多类型的中微子。第四种中微子的存在将对现有的粒子物理学模型发起巨大的挑战,但它也可以用来解释某些未解谜团,如超新星爆炸的细节等。不过,许多研究人员仍然对液体闪烁器中微子探测器的发现持怀疑态度,这一发现又成为中微子物理学中的一大谜团。

7. 迷你升能器中微子实验

本图所示场景为迷你升能器中微子探测器( MiniBooNE detector)的墙壁。美国费米实验室科学家从2002年起开始启动新的探测实验--“迷你升能器中微子实验”,该实验的目的就是证实或否定液体闪烁器中微子探测器实验的发现成果。

他们最初的结果似乎证明液体闪烁器中微子探测器实验结果有误,但是进一步的实验数据发生了变化。“迷你升能器中微子实验”项目发言人、物理学家比尔-路易斯介绍说,“现在看起来,迷你升能器中微子实验与液体闪烁器中微子探测器实验的结果是一致的。”两大实验的结果表明,仍然存在许多怪异现象。中微子科学家们需要建造更多的探测器和实验设施去解答这些谜团。

8、长基线中微子实验

本图所示为长基线中微子实验示意图。为了完全揭开中微子之谜,科学家们需要新一代的探测设备。美国科学家希望能够获批建造长基线中微子实验设施,他们通过这一实验或将能够回答一个深奥的问题:宇宙为什么是由物质组成的,而不是反物质。这一设施将产生世界上强度最高的中微子束,并将它从美国费米实验室发送到南达科塔州的霍姆斯塔克矿中。尽管这一实验设施尚未正式获得批准建设,但该实验已吸引了400多名科学家参与。

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