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一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

2018-10-30 18:19| 发布者: 看世人| 查看: 65| 评论: 0

摘要: 一个中微子事件,可以通过位于探测器壁上的光电倍增管上的切伦科夫辐射环来识别,展示了中微子天文学的成功方法。此图像显示多个事件。有时,设计最好的实验也会失败。您正在寻找的效果甚至可能不会发生,这意味着没 ...
一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

一个中微子事件,可以通过位于探测器壁上的光电倍增管上的切伦科夫辐射环来识别,展示了中微子天文学的成功方法。此图像显示多个事件。

有时,设计最好的实验也会失败。您正在寻找的效果甚至可能不会发生,这意味着没有结果应该始终是您准备好的结果。当这种情况发生时,这个实验常常被认为是失败的,尽管如果不执行它,你永远不会知道结果。

然而,每隔一段时间,你构建的设备可能对其他事物完全敏感。当你以一种新的方式,一种新的敏感性,或者在新的,独特的条件下进行科学研究时,这通常是最令人惊讶的,最意外的发现。1987年,一项检测质子衰变的失败实验首次检测到中微子不仅来自太阳系,而且来自银河系之外。中微子天文学就是这样诞生的。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

将中子转换成质子、电子和反电子中微子是泡利在衰变过程中提出的解决能量非守恒问题的假设。

中微子是理论物理学史上最成功的故事之一。早在20世纪初,人们就知道了三种类型的放射性衰变:

  • α衰变,一个较大的原子发射一个氦核,在元素周期表上向前跳跃两个元素。
  • β衰变,原子核释放出高能电子,在元素周期表上向后移动一个元素。
  • γ衰变,原子核发出高能光子,保持在周期表的同一位置。

在任何反应中,根据物理定律,无论初始反应物的总能量和动量是多少,最终产物的能量和动量都需要匹配。对于衰变,它们总是这样。对于α和γ衰变,他们总是如此,但对于β衰变? 决不。 能量总是丢失。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

图像中心的v形轨迹很可能是一个衰变为电子和两个中微子的介子。高能轨道的扭曲是空气中粒子衰变的证据。如果不包括(未检测到的)中微子,这种衰变将违反能量守恒。

1930年,沃尔夫冈·泡利提出了一种可以解决这个问题的新粒子:中微子。这个小的中性粒子可以携带能量和动量,但是很难被发现。它不会吸收或发射光,而且只会很少与原子核相互作用。

听到它的建议,波利感到羞愧而不是自信和得意。他宣称:“我做了一件可怕的事情,我假设了一个无法检测到的粒子。”尽管他持保留意见,但实验证明这个理论是正确的。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

核反应堆实验用的RA-6(阿根廷共和国6号),显示了水中比光速还快的粒子发出的切伦科夫辐射的特征。中微子(或者更准确地说,反中微子)是在1930年由一个类似的核反应堆发现的。

1956年,中微子(或者更具体地说,反中微子)首次作为核反应堆产品的一部分被直接检测出来。当中微子与原子核相互作用时,会产生两种结果:

  • 它们不是散射就是产生反冲,就像台球撞到其他台球一样,
  • 或者它们会产生新的粒子,它们有自己的能量和动量。

无论哪种方式,你都可以在中微子相互作用的地方建立专门的粒子探测器,并寻找它们。这就是第一批中微子的探测方法:在核反应堆的边缘建立对中微子特征敏感的粒子探测器。如果你重建了包括中微子在内的所有产品的能量,能量是守恒的。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

大型原子核中衰变的示意图。只有包含(丢失的)中微子能量和动量,这些量才能被守恒。

理论上,核反应发生的任何地方都应该产生中微子:在太阳中,在恒星和超新星中,以及每当来自地球大气层的高能宇宙射线撞击粒子时。到20世纪60年代,物理学家们正在建造中微子探测器,以寻找太阳(来自太阳)和大气层(来自宇宙射线)的中微子。

大量的物质,其质量被设计成与内部的中微子相互作用,将被这种中微子探测技术所包围。为了保护中微子探测器不受其他粒子的干扰,它们被放置在地下很深的地方:矿井中。只有中微子才能进入矿井;其他的粒子应该被地球吸收。到20世纪60年代末,太阳中微子和大气中微子都被成功地发现了。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

在南达科塔州的山中,这个Homestake金矿坐落在群山之中。它在123年前开始运作,从8000英尺深的地下矿山和磨坊中开采出4000万盎司黄金。1968年,在这里,第一个太阳中微子在约翰·巴考尔和雷·戴维斯设计的实验中被发现。

为中微子实验和高能加速器开发的粒子检测技术被发现可以应用于另一种现象:寻找质子衰变。虽然粒子物理学的标准模型预测质子是绝对稳定的,但在许多方面——比如大统一理论——质子可以衰变为更轻的粒子。

理论上,当质子衰变时,它会以极高的速度释放出质量较低的粒子。如果你能探测到这些快速运动的粒子的能量和动量,你就能重建出总能量,看看它是否来自质子。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

高能粒子可以与其他粒子发生碰撞,产生可以在探测器上看到的大量新粒子。通过重新构造每个粒子的能量、动量和其他性质,我们可以确定最初的碰撞是什么,以及在这个事件中产生了什么。

如果质子衰变,它们的生命周期必须非常长。宇宙本身已经有10^10年的历史了,但是质子的寿命肯定要长得多。多久?关键不是看一个质子,而是看大量的质子。如果一个质子的寿命是10^30年,你可以选择一个质子,然后等待很长时间(一个坏主意),或者用10^30个质子,等待1年,看看是否有衰变。

一公升水含有10^25个分子,每个分子含有两个氢原子:一个质子被一个电子环绕。如果质子是不稳定的,一个足够大的水箱,周围有大量的探测器,你可以测量或限制它的稳定性或者不稳定性。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

20世纪80年代神冈中微子探测器的示意图。实际尺寸来说,这个水箱大约有15米高。

1982年,在日本,他们开始在神冈煤矿建造一个大型地下探测器。探测器被命名为KamiokaNDE:神冈核子衰变实验。它的体积足够容纳3000多吨的水,大约有1000个探测器被优化以检测快速移动的粒子会发射的辐射。

到1987年,探测器已经运行了好几年,没有一个质子衰变的实例。在这个燃料箱里大约有1033个质子,这个零结果完全消除了大统一理论中最流行的模型。就我们所知,质子不会衰变。神冈的主要目标就是失败。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

超新星爆炸使周围的星际介质充满了重元素。外环是由以前的喷出物引起的,比最后的爆炸早得多。这种爆炸还释放出各种各样的中微子,其中一些中微子一直到达地球。

但后来发生了意想不到的事情。16.5万年前,在银河系的一个卫星星系中,一颗巨大的恒星走到了生命的尽头,并在一颗超新星中爆炸。1987年2月23日,第一次到达地球。

但在光到达前几小时,神冈发生了一件引人注目的事情:总共12个中微子在大约13秒内到达。两个爆发——第一个包含9个中微子,第二个包含3个中微子——证明了产生中微子的核过程在超新星中大量存在。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

三种不同的探测器观察到来自SN 1987A的中微子,其中神冈探测器是最健壮和成功的。从核子衰变实验到中微子探测器实验的转变将为中微子天文学的发展铺平道路。

这是我们第一次探测到来自太阳系以外的中微子。中微子天文学的科学才刚刚开始。在接下来的几天里,来自这颗超新星的光,现在被称为SN 1987A,被许多地面和太空天文台以各种波长观测到。基于中微子的飞行时间和光线到达时间的微小差异,我们了解到中微子:

  • 以一种与光速无法区分的速度穿越了16.5万光年,
  • 它们的质量不能超过电子质量的1/30000,
  • 当中微子从坍缩的恒星的核心移动到它的光球层时,它们并没有减速,就像光一样。

即使在今天,30多年后,我们也可以研究这颗超新星遗迹,看看它是如何演变的。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

1987年爆炸产生的向外移动的物质冲击波继续与先前来自大质量恒星的喷射物发生碰撞,碰撞发生时加热并照亮物质。今天,各种各样的天文台继续为超新星遗迹成像。

这个结果在科学上的重要性怎么强调都不为过。它标志着中微子天文学的诞生,就像第一次从合并的黑洞直接探测引力波标志着引力波天文学的诞生一样。这是多信使天文学的诞生,标志着首次在电磁辐射(光)和另一种方法(中微子)中观测到同一物体。

它向我们展示了利用大型地下坦克探测宇宙事件的潜力。它使我们希望,有一天,我们可能会进行最终的观察:光、中微子和引力波聚集在一起,告诉我们宇宙中物体的工作原理。

一个失败的核实验竟意外地产生了中微子天文学

多信使天文学的最终事件是两个白矮星或两个足够近的中子恒星的合并。如果这样的事件发生在离地球足够近的地方,中微子、光和引力波都可以被探测到。

最聪明的是,它导致了KamiokaNDE的重新命名。神冈核子衰变实验(Kamioka Nucleon Decay Experiment)完全失败,所以KamiokaNDE退出了实验。但是,从SN 1987A上对中微子的壮观观测,催生了一个新的天文台:神冈中微子探测器实验(Kamioka Neutrino Detector Experiment)!在过去的30多年里,这个系统已经被升级了很多次,世界各地也出现了许多类似的设施。

如果今天超新星爆炸,在我们自己的星系中,我们将会遇到超过10000个到达我们的探测器的中微子。所有这些,结合起来,进一步限制了质子的生命周期现在大于10^35年,但这不是我们建造它们的原因。每当高能量大灾难发生时,中微子就会穿过宇宙。有了我们的探测器,中微子天文学就活跃起来了。

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