捕捉幽靈粒子,新一代微中子探測設備將在數年內啟用

作者 | 發布日期 2019 年 09 月 01 日 13:50 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


前陣子科學家剛界定出幽靈粒子「微中子」的最大質量上限,但這遠遠不夠替現代物理謎團解謎。為了更深入理解微中子特性,有 3 個新的微中子實驗設備即將在未來啟用。

1930 年,奧地利理論物理學家沃夫岡·包立首度提出微中子假說,人們開始認識並愛上這種幽靈般的粒子──它們有一點點質量,比電子還要輕 1,000 倍;它們可以從一種「味」變成另一種「味」,但我們還不確定轉變的機制。

每當物理學家又不理解某些東西時,他們就會非常興奮,因為謎底可能出現在已知的物理常識之外,而被看做暗物質第一候選人的微中子,很可能藏有宇宙大爆炸的線索。

然而微中子非常小,也不參與強交互作用和電磁交互作用,非常難檢測,現有較著名的微中子探測設備包括:日本的超級神岡探測器、加拿大的薩德伯里微中子觀測站、位於南極洲的 IceCube 微中子觀測站等,雖然已經取得不少微中子研究成果,但想要更深入理解微中子未解特性,科學家需要靈敏度更高的新設備。

根據《Live Science》整理,不久後將有 3 個新一代微中子設備啟用投入檢測。

深層地底微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)

這座巨大的設備整體位於地表下方 1.5 公里深,將從美國伊利諾伊州的費米國立加速器實驗室,一路延伸 1,300 公里直達南達科他州的桑福德地下研究設施(SURF),首先費米實驗室設備將質子束加速至接近光束並產生不穩定粒子,接著這些粒子進入一個極長的隧道,於傳播過程中發生衰變並產生微中子,最後由桑福德地下研究設施一個含有 40,000 噸液態氬的探測器捕獲。

主要科學目標包括:全力搜尋目前已知的 3 種微中子、質子衰變、確認 3 種微中子質量大小的排序、研究超新星和中子星或黑洞的形成。

超巨型神岡探測器(Hyper-Kamiokande,縮寫 HK)

1999 年,日本科學家小柴昌俊(Takaaki Kajita)利用超級神岡探測器(Super-Kamiokande,縮寫 Super-K、SK),偵測到微中子振盪的第一個確切證據,指出微中子可以在 3 種不同的「味」之間轉換,進一步證明微中子具有質量,而非粒子物理標準模型中預言的零質量,小柴昌俊也因此榮獲 2002 年諾貝爾物理學獎。

只不過這次實驗只測出了不同「味」之間的微中子質量差,依然沒測出微中子的絕對質量,因此日本將推出更先進的超巨型神岡探測器(Hyper-Kamiokande,縮寫 Hyper-K、HK),預計於 2020 年 4 月開工建設,2025 年投入使用。

這 2 個神岡探測器的儀器設置都非常簡單:Super-K 主要包含一個盛有 5 萬噸 100% 超純水的不鏽鋼圓柱容器,容器內壁裝有 11,200 個光電倍增管(Photomultiplier,PMT),用來放大極其微弱的光訊號——微中子與水中的氫原子、氧原子交互作用過程中,所產生的契忍可夫輻射(藍光)。

Hyper-K 則是 Super-K 的放大版,其不鏽鋼圓柱容器容量高達 2.64 億加侖,為 Super-K 的 20 倍,也就是說 Hyper-K 能收集 20 倍的微中子數量。2025 年起,這座探測器將開始尋找來自宇宙的微中子,比如超新星。

精密冰立方微中子觀測站下一代升級(PINGU)

嗯……做為冰立方微中子天文台 (IceCube)的升級版,這座精密冰立方微中子觀測站(Precision IceCube Next Generation Upgrade)的縮寫念法就是 PINGU──如果你看過企鵝家族就會恍然大悟。

IceCube 有數千個探測器位於南極冰層之下,分布範圍超過 1 立方公里,被設計用來觀測能量約 1TeV 的微中子。然而這是 IceCube 的優點也是缺點,IceCube 無法探測到能量較低的微中子。

PINGU 目的就是補足 IceCube 的缺陷,到時候它的設置地點將位於 IceCube 附近,專門負責捕捉低能微中子、協助確認微中子質量、檢測濤微中子,並尋找大質量弱交互作用粒子湮滅。

(首圖來源:IceCube

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