1. <output id="ggemx"></output>

          1. <var id="ggemx"></var>

          2. 科學家在南極冰層尋找太空中微子

            [ 錄入者:linq | 時間:2010-03-02 18:01:34 | 作者:王家驥 | 來源:新浪科技 | 瀏覽:28450次 ]
            我們常常通過天文觀測來了解宇宙的 奧秘。太空中的 天體會輻射出多種波長的 電磁波。這些電磁波攜帶著各種不同的 信息,向我們揭示宇宙的 奧秘。除了電磁波外,天體還會發射一些實物粒子。例如,太陽還發射出大量的 中微子和稱為太陽風的 帶電粒子流。接下來,我們要討論的 主角就是中微子。目前,一些天文學家正在南極安裝儀器,希望能檢測到來自深空的 高能中微子。

              具有獨特屬性的 中微子

              中微子是一種在放射性衰變和核聚變中產生的 粒子。它不帶電荷,幾乎沒有質量,而且與其他物質之間發生的 相互作用極其微弱。因此,一顆高能中微子可以自由地穿越一光年厚的 鉛層,而很可能不會打擾其中任何一個原子。令人驚奇的 是,當你在閱讀這篇文章的 時候,正有數十億顆中微子穿越你的 身體,其中一些就可能來自深空。你一生下來,就有中微子穿過你的 身體。而在你的 整個一生中,實際上只有十分微量的 中微子會與你身體里的 原子發生相互作用而暴露出它們的 行蹤。

              早在20世紀初,物理學家在計算一種放射性物質衰變前后的 能量和動量時,發現沒有辦法軋平“賬目”。后來,奧地利物理學家泡利在1930年提出,是一種尚沒有辦法檢測到的 粒子帶走了缺失的 能量和動量。科學家們給這種假設的 粒子命名為“中微子”,意思是微型的 中性粒子。正是因為中微子與其他物質之間的 相互作用極其微弱,所以很難對它進行檢測。直到1956年,美國物理學家萊茵斯才在一個核反應堆發射的 中微子洪流中,通過特殊的 方法驗證了中微子的 存在。1995年,萊茵斯因這項成果而獲得了諾貝爾物理學獎。

              那么,中微子與天文學研究有什么關系 呢?中微子是除了電磁波外,攜帶著宇宙中核反應信息的 另一位信使,因為天體的 核反應會發射出中微子。中微子可以穿越星 系 ,且不與充滿宇宙的 電磁波輻射發生相互作用。星 系 的 磁場也不會對它們產生影響。這些特殊的 性質使得中微子可用于研究深空中所發生的 一些天文現象。

              對天文學家來說,中微子所具有的 難以捉摸的 特性既有好處又有壞處。好處是,中微子幾乎不與別的 物質發生相互作用,這意味著它們很容易從形成它們的 區域中逃逸出來,并把這些區域的 信息帶給我們。例如,在太陽的 核心區域,中微子在核聚變中產生之后,可以毫發無損地穿過太陽外層和地球的 大氣層,這使得我們可以通過對中微子的 檢測來研究太陽內部的 活動。壞處也十分明顯,那就是中微子的 檢測極端困難。

              建造在地下的 中微子探測器

              如果我們想要通過中微子去探索太空,那么我們必須要解決兩個問題。第一個問題是我們已經談論過的 :中微子與其他物質的 相互作用極其微弱。解決這個問題的 辦法比較簡單,就是可以把大量的 物質放入一個大容器中,增加兩者發生相互作用的 概率。第二個問題就比較微妙了。當我們“檢測”到一顆中微子的 時候,我們實際上并沒有發現或捕捉到這顆中微子,而是發現一顆原子發生了某種非同尋常的 變化。研究人員把出現這種奇特的 現象歸因于一顆看不見的 中微子。于是就出現了一個問題:會不會還有其他的 粒子引起這顆原子出現同樣的 情況?例如,除了中微子外,還有一種來自宇宙深處的 稱為宇宙線的 高能粒子流,也在不斷地轟擊地球,并且可以到達地球表面。要鑒別出哪些反應是由宇宙線引起的 ,并把它們與中微子引起的 反應區別開,這不是一件容易的 事情。

              在20世紀60年代初,美國賓夕法尼亞大學的 戴維斯首先為解決這些問題做出了巨大貢獻。戴維斯用來檢測中微子的 靶體很龐大,那是整整一節鐵路槽罐車的 四氯乙烯液體。為避免宇宙射線的 影響,他把實驗室建在1600多米深的 一個金礦中。厚厚的 巖石覆蓋層保護著這節槽罐車,使它免遭宇宙線的 轟擊。他的 目的 是要探測由太陽核心區域的 核聚變反應產生的 中微子。一些來自太陽的 中微子會穿越槽罐內的 四氯乙烯液體,并把其中微量氯原子核轉變為氬原子核,他的 主要工作就是從難以計數的 四氯乙烯分子中尋找那些罕見的 氬原子核,其難度如同大海撈針。

              正如科學家們在探測一個新的 領域時常常會碰到的 情況那樣,戴維斯的 實驗結果出乎人們的 預料。他找到了來自太陽的 中微子,可是在處理這些結果的 時候發現,實驗檢測到的 中微子只有預期數量的 三分之一。難道是他的 實驗方法錯了嗎?或者是物理學家關于他們應該檢測到多少中微子的 計算不正確?還有就是我們對物理學的 認識可能還不夠充分。經過多年進一步的 研究才發現,原來中微子可以分為三種,戴維斯檢測到的 只是其中的 一種。這三種中微子本身可以相互轉化,由一種中微子變成另一種中微子。這一事實后來成了現代物理學理論的 基石之一。2002年,戴維斯因為探索中微子而獲得了諾貝爾物理學獎。

              隨著戴維斯的 成功,物理學家們在北美、歐洲和日本的 礦井或隧道中建造了幾處第二代中微子檢測器。這些檢測器同樣都使用龐大的 靶體,不過它們的 靶體是更加有利于檢測的 超純水。一顆中微子穿過水的 時候,如果與遇到的 原子核發生相互作用,會產生一種帶電粒子。在水中,這種粒子會發射出一個錐形的 淺藍色光脈沖,稱為“切倫科夫輻射”。在水的 周圍,布滿了一層層儀器,用于檢測這種輻射。大量的 水擔任著靶體的 角色,可讓中微子與它們發生相互作用;同時,這些水又起著介質的 作用,使得物理學家得以檢測到這種相互作用。

              利用天然冰層建造中微子探測器

              如果要尋找來自太陽的 中微子,一槽罐液體就可以了。然而,如果要尋找那些來自深空的 劇烈事件(如超新星 爆發)產生的 中微子,一槽罐液體就不夠用了,因為這些來自深空的 高能中微子十分分散,到達地球的 就很罕見了。如果科學家要用超純水來檢測來自深空的 中微子,假定槽罐的 長度為數十米,那么也許不得不等上數十年才能檢測到一顆中微子。因此,要提高檢測效率,所需槽罐的 長度將不是以米來計量,而是要長達數千米。

              于是,科學家想到了一個新的 創意:利用南極冰原厚達數千米的 天然冰層建造中微子探測器。這臺探測器被稱為“冰立方”中微子探測器,是迄今為止建造的 最壯觀的 天文探測器。在這臺儀器中,冰起著以往研究中超純水的 作用,它既是靶體,又是觀測介質。

              建造這臺儀器的 技術并不難。首先,工作人員使用高壓熱水在南極冰層中鉆一些深達2450米的 洞,每鉆一個洞大約需40小時。然后,研究人員把一條帶有連成一串的 60個檢測器模塊的 電纜往下放進這個洞里,并給這個洞澆滿水,讓它重新凍結。當一顆中微子在“冰立方”中觸發了與某個原子核的 反應的 時候,會產生閃光。檢測器就把閃光記錄下來,地面的 計算機根據記錄下來的 數據,可以重新構建出每一顆中微子的 特性,并確定它們的 能量及其來向。

              然而,當研究人員把第一串檢測器往下放到冰中以后,它們完全沒有起作用。原來,在閃光到達檢測器之前,留在冰中的 微小氣泡散射了這些光線。幸好,科學家們發現,在深度超過1400米時,冰的 壓力高得使氣泡消失,研究人員所需要的 清晰信號就出現了。因此,在接下來的 實驗中,檢測器串就降到了1450米以下。

              “冰立方”中的 閃光大都不是來自深空的 中微子產生,因為抵達地表的 中微子大都來源于地球大氣層。來自深空的 宇宙線與地球大氣中的 原子碰撞,會產生很多中微子,它們與來自深空的 中微子的 比例達到500000∶1。如何分辨這兩類中微子?研究發現,來自大氣層中的 中微子能量較低,不能穿越地球;而來自深空的 中微子能量較高,可以穿越地球。因此,天文學家只需要關注來自地球深處的 中微子就可以了。也就是說,這些中微子是由地球北極方向來的 。它們在深空被發射出來以后,在北極進入地球,貫穿了整個地球,才到達安裝在南極的 檢測器。實際上,這是把整個地球作為屏障,屏蔽掉了不想要的 背景信號。

              “冰立方”中微子探測器包括80串探測器模塊,預計2012年1月完全建成。一旦這臺探測器完全投入運行,它可能在未來10年內記錄下百萬次以上的 深空高能中微子事件。這將給我們提供一個巨大的 數據庫,用于分析一些劇烈的 太空事件,我們對宇宙起源和演化的 認識也將邁上一個新臺階。

            Tags:中微子

            責任編輯:linq

            本周熱點

            在新窗口打開 實際大小 關閉 鼠標滾輪縮放圖片

            loading.

            A4影院