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科学家在南极冰层寻找太空中微子

[ 录入者:linq | 时间:2010-03-02 18:01:34 | 作者:王家驥 | 来源:新浪科技 | 浏览:25041次 ]
我们常常通过天文观测来了解宇宙的 奥秘。太空中的 天体会辐射出多种波长的 电磁波。这些电磁波携带着各种不同的 信息,向我们揭示宇宙的 奥秘。除了电磁波外,天体还会发射一些实物粒子。例如,太阳还发射出大量的 中微子和称为太阳风的 带电粒子流。接下来,我们要讨论的 主角就是中微子。目前,一些天文学家正在南极安装仪器,希望能检测到来自深空的 高能中微子。

天下奇闻异事 www.aladdinzh.com   具有独特属性的 中微子

  中微子是一种在放射性衰变和核聚变中产生的 粒子。它不带电荷,几乎没有质量,而且与其他物质之间发生的 相互作用极其微弱。因此,一颗高能中微子可以自由地穿越一光年厚的 铅层,而很可能不会打扰其中任何一个原子。令人惊奇的 是,当你在阅读这篇文章的 时候,正有数十亿颗中微子穿越你的 身体,其中一些就可能来自深空。你一生下来,就有中微子穿过你的 身体。而在你的 整个一生中,实际上只有十分微量的 中微子会与你身体里的 原子发生相互作用而暴露出它们的 行踪。

  早在20世纪初,物理学家在计算一种放射性物质衰变前后的 能量和动量时,发现没有办法轧平“账目”。后来,奥地利物理学家泡利在1930年提出,是一种尚没有办法检测到的 粒子带走了缺失的 能量和动量??蒲Ъ颐歉庵旨偕璧?粒子命名为“中微子”,意思是微型的 中性粒子。正是因为中微子与其他物质之间的 相互作用极其微弱,所以很难对它进行检测。直到1956年,美国物理学家莱茵斯才在一个核反应堆发射的 中微子洪流中,通过特殊的 方法验证了中微子的 存在。1995年,莱茵斯因这项成果而获得了诺贝尔物理学奖。

  那么,中微子与天文学研究有什么关系 呢?中微子是除了电磁波外,携带着宇宙中核反应信息的 另一位信使,因为天体的 核反应会发射出中微子。中微子可以穿越星 系 ,且不与充满宇宙的 电磁波辐射发生相互作用。星 系 的 磁场也不会对它们产生影响。这些特殊的 性质使得中微子可用于研究深空中所发生的 一些天文现象。

  对天文学家来说,中微子所具有的 难以捉摸的 特性既有好处又有坏处。好处是,中微子几乎不与别的 物质发生相互作用,这意味着它们很容易从形成它们的 区域中逃逸出来,并把这些区域的 信息带给我们。例如,在太阳的 核心区域,中微子在核聚变中产生之后,可以毫发无损地穿过太阳外层和地球的 大气层,这使得我们可以通过对中微子的 检测来研究太阳内部的 活动?;荡σ彩置飨?,那就是中微子的 检测极端困难。

  建造在地下的 中微子探测器

  如果我们想要通过中微子去探索太空,那么我们必须要解决两个问题。第一个问题是我们已经谈论过的 :中微子与其他物质的 相互作用极其微弱。解决这个问题的 办法比较简单,就是可以把大量的 物质放入一个大容器中,增加两者发生相互作用的 概率。第二个问题就比较微妙了。当我们“检测”到一颗中微子的 时候,我们实际上并没有发现或捕捉到这颗中微子,而是发现一颗原子发生了某种非同寻常的 变化。研究人员把出现这种奇特的 现象归因于一颗看不见的 中微子。于是就出现了一个问题:会不会还有其他的 粒子引起这颗原子出现同样的 情况?例如,除了中微子外,还有一种来自宇宙深处的 称为宇宙线的 高能粒子流,也在不断地轰击地球,并且可以到达地球表面。要鉴别出哪些反应是由宇宙线引起的 ,并把它们与中微子引起的 反应区别开,这不是一件容易的 事情。

  在20世纪60年代初,美国宾夕法尼亚大学的 戴维斯首先为解决这些问题做出了巨大贡献。戴维斯用来检测中微子的 靶体很庞大,那是整整一节铁路槽罐车的 四氯乙烯液体。为避免宇宙射线的 影响,他把实验室建在1600多米深的 一个金矿中。厚厚的 岩石覆盖层?;ぷ耪饨诓酃蕹?,使它免遭宇宙线的 轰击。他的 目的 是要探测由太阳核心区域的 核聚变反应产生的 中微子。一些来自太阳的 中微子会穿越槽罐内的 四氯乙烯液体,并把其中微量氯原子核转变为氩原子核,他的 主要工作就是从难以计数的 四氯乙烯分子中寻找那些罕见的 氩原子核,其难度如同大海捞针。

  正如科学家们在探测一个新的 领域时常?;崤龅降?情况那样,戴维斯的 实验结果出乎人们的 预料。他找到了来自太阳的 中微子,可是在处理这些结果的 时候发现,实验检测到的 中微子只有预期数量的 三分之一。难道是他的 实验方法错了吗?或者是物理学家关于他们应该检测到多少中微子的 计算不正确?还有就是我们对物理学的 认识可能还不够充分。经过多年进一步的 研究才发现,原来中微子可以分为三种,戴维斯检测到的 只是其中的 一种。这三种中微子本身可以相互转化,由一种中微子变成另一种中微子。这一事实后来成了现代物理学理论的 基石之一。2002年,戴维斯因为探索中微子而获得了诺贝尔物理学奖。

  随着戴维斯的 成功,物理学家们在北美、欧洲和日本的 矿井或隧道中建造了几处第二代中微子检测器。这些检测器同样都使用庞大的 靶体,不过它们的 靶体是更加有利于检测的 超纯水。一颗中微子穿过水的 时候,如果与遇到的 原子核发生相互作用,会产生一种带电粒子。在水中,这种粒子会发射出一个锥形的 浅蓝色光脉冲,称为“切伦科夫辐射”。在水的 周围,布满了一层层仪器,用于检测这种辐射。大量的 水担任着靶体的 角色,可让中微子与它们发生相互作用;同时,这些水又起着介质的 作用,使得物理学家得以检测到这种相互作用。

  利用天然冰层建造中微子探测器

  如果要寻找来自太阳的 中微子,一槽罐液体就可以了。然而,如果要寻找那些来自深空的 剧烈事件(如超新星 爆发)产生的 中微子,一槽罐液体就不够用了,因为这些来自深空的 高能中微子十分分散,到达地球的 就很罕见了。如果科学家要用超纯水来检测来自深空的 中微子,假定槽罐的 长度为数十米,那么也许不得不等上数十年才能检测到一颗中微子。因此,要提高检测效率,所需槽罐的 长度将不是以米来计量,而是要长达数千米。

  于是,科学家想到了一个新的 创意:利用南极冰原厚达数千米的 天然冰层建造中微子探测器。这台探测器被称为“冰立方”中微子探测器,是迄今为止建造的 最壮观的 天文探测器。在这台仪器中,冰起着以往研究中超纯水的 作用,它既是靶体,又是观测介质。

  建造这台仪器的 技术并不难。首先,工作人员使用高压热水在南极冰层中钻一些深达2450米的 洞,每钻一个洞大约需40小时。然后,研究人员把一条带有连成一串的 60个检测器??榈?电缆往下放进这个洞里,并给这个洞浇满水,让它重新冻结。当一颗中微子在“冰立方”中触发了与某个原子核的 反应的 时候,会产生闪光。检测器就把闪光记录下来,地面的 计算机根据记录下来的 数据,可以重新构建出每一颗中微子的 特性,并确定它们的 能量及其来向。

  然而,当研究人员把第一串检测器往下放到冰中以后,它们完全没有起作用。原来,在闪光到达检测器之前,留在冰中的 微小气泡散射了这些光线。幸好,科学家们发现,在深度超过1400米时,冰的 压力高得使气泡消失,研究人员所需要的 清晰信号就出现了。因此,在接下来的 实验中,检测器串就降到了1450米以下。

  “冰立方”中的 闪光大都不是来自深空的 中微子产生,因为抵达地表的 中微子大都来源于地球大气层。来自深空的 宇宙线与地球大气中的 原子碰撞,会产生很多中微子,它们与来自深空的 中微子的 比例达到500000∶1。如何分辨这两类中微子?研究发现,来自大气层中的 中微子能量较低,不能穿越地球;而来自深空的 中微子能量较高,可以穿越地球。因此,天文学家只需要关注来自地球深处的 中微子就可以了。也就是说,这些中微子是由地球北极方向来的 。它们在深空被发射出来以后,在北极进入地球,贯穿了整个地球,才到达安装在南极的 检测器。实际上,这是把整个地球作为屏障,屏蔽掉了不想要的 背景信号。

  “冰立方”中微子探测器包括80串探测器???,预计2012年1月完全建成。一旦这台探测器完全投入运行,它可能在未来10年内记录下百万次以上的 深空高能中微子事件。这将给我们提供一个巨大的 数据库,用于分析一些剧烈的 太空事件,我们对宇宙起源和演化的 认识也将迈上一个新台阶。

Tags:中微子

责任编辑:linq

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