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世界上最小的中微子探测器观察到粒子难以捉摸的相互作用

归档日期:06-29       文本归类:反冲      文章编辑:爱尚语录

  1974年,一位费米实验室的物理学家预测了一种叫做中微子的幽灵粒子与物质相互作用的新方法。四十多年后,由UChicago领导的物理学家团队建造了世界上最小的中微子探测器,以便首次观察难以捉摸的相互作用。

  中微子是研究的一个挑战,因为它们与物质的相互作用是如此罕见。特别难以捉摸的是所谓的相干弹性中微子核散射,当中微子从原子核撞击时发生。

  “为什么观察这种互动需要43年?” 共同作者,UChicago物理学教授Juan Collar问道。“发生的事情非常微妙。” 弗里德曼并没有看到很多实验性确认的机会,当时写道:“我们的建议可能是一种傲慢的行为,因为互动率,分辨率和背景的不可避免的限制造成严重的实验困难。”

  当中微子撞击原子核时,会产生微小的,几乎不可测量的反冲。与其他过程相比,用碘,铯或氙等重元素制作探测器可大大提高这种新的中微子相互作用模式的可能性。但是需要进行权衡,因为随着细胞核变得越来越重,核反弹越来越难以检测到。

  “想象一下,你的中微子是乒乓球击打保龄球。他们只会给这个保龄球带来一点额外的动力,”Collar说。

  Collar及其同事发现,掺杂钠的碘化铯晶体是最理想的材料。这一发现使科学家们放弃了中微子研究中常见的重型巨大探测器,其尺寸与烤面包机相似。

  用于生产科学结果的4英寸×13英寸探测器重量仅为32磅(14.5千克)。相比之下,世界上最着名的中微子天文台配备了数千吨的探测器材料。

  “你不必围绕它建立一个巨大的实验室,”UChicago博士生Bjorn Scholz说,他的论文将包含科学论文中报道的结果。“我们现在可以考虑建造其他可以使用的小型探测器,例如监测核电站的中微子通量。你只需在外面放一个漂亮的小探测器,就可以在原地进行测量。”

  “中微子是最神秘的粒子之一,”Collar说。“我们忽略了很多关于它们的事情。我们知道它们有质量,但我们并不确切知道它们有多少。”

  通过测量相干弹性中微子核散射,物理学家希望回答这些问题。例如,COHERENT Collaboration的科学论文对已经提出的新型中微子 - 夸克相互作用施加了限制。

  结果也对搜索弱相互作用的大质量粒子有影响。WIMP是暗物质的候选粒子,它是未知成分的不可见材料,占宇宙质量的85%。

  “我们用中微子观察到的是与我们一直在建造的所有WIMP探测器相同的过程,”Collar说。

  COHERENT Collaboration涉及18个机构的90名科学家,他们一直在田纳西州橡树岭国家实验室的Spallation Neutron Source寻找相干中微子散射。研究人员将他们的探测器安装在一个被称为“中微子胡同”的地下室走廊里。这条走廊被高放射性中子束目标区域的铁和混凝土严密屏蔽,距离仅20米(不到25码)。

  这个中微子小巷解决了中微子探测的一个主要问题:它屏蔽了散裂中子源产生的几乎所有中子,但中微子仍然可以到达探测器。这使研究人员能够更清楚地看到数据中的中微子相互作用。在其他地方,他们很容易被更突出的中子探测器淹没。

  散裂中子源产生世界上最强的脉冲中子束,用于科学研究和工业发展。在产生中子的过程中,SNS也产生中微子,但数量较少。

  “你可以使用更复杂的中微子探测器,但不是正确的中微子源,你不会看到这个过程,”Collar说。“这是理想的探测器和理想探测器的结合,使实验成功。”

  紧凑型中微子探测器的发展使得UChicago校友Leo Stodolsky,SM58,PhD64于1984年提出了一个想法。德国马克斯普朗克物理和天体物理学研究所的Stodolsky和Andrzej Drukier指出,与包含数千加仑水或液体闪烁体的更常见的中微子探测器不同,相干探测器相对较小且紧凑。在他们的工作中,他们预测未来的中微子技术的到来使探测器的小型化成为可能。

  Uchicago研究生Scholz向几十年来一直致力于研究相关中微子散射检测技术的科学家致敬。

  “我无法理解他们现在必须感觉到它最终被发现了,并且他们实现了他们的人生目标之一,”Scholz说。“我在比赛结束时进来。我们必须赞扬人们在我们面前所做的所有伟大工作。”

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