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:22254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。

  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。科学家们给这种假设的 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。坏处也十分明显,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 岩石覆盖层保护着这节槽罐车,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 领域时常常会碰到的 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个检测器模块的 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串探测器模块,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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