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中国科学家拟造“水晶球”捕捉宇宙中的“幽灵

发布时间:2020-10-30

JUNO勘探器示意图。 本文图片 中科院高能所供给

JUNO勘探器示意图。 本文图片 中科院高能所供给

在一个12层楼高的玻璃球里注入通明液体,我国科学家计划造一个全世界最大的 水晶球 来捕捉世界中的 鬼魂粒子 中微子,然后找到通向物理新世界的大门。

他们将把一个直径达35.4米的有机玻璃球装置在广东省江门市西南部的打石山中。施工人员已经在700多米深的花岗岩下方挖出一个空泛,作为未来的试验大厅。

咱们一向在不停地抽排地下水。现在,水位已显着下降,信任很快就能排洁净。 江门中微子试验发言人、我国科学院高能物理研讨所所长王贻芳近期介绍项目发展时说。

江门中微子试验于2015年1月开工建造。若顺畅,下一年年中,施工人员将开端在地下试验厅中拼装巨大的球形勘探器。

这是我国最杂乱的高能物理试验设备,估计2022年建成。与其时最好的世界同类设备比较,它的规划要大20倍,精度进步近一倍。

JUNO规划图。

JUNO规划图。

鬼魂粒子

中微子是组成自然界的一种基本粒子,在世界中广泛存在。大多数粒子物理和核物理进程都伴随着中微子的发作,例如太阳发光、超新星迸发、世界射线、核反响堆发电等。

中微子也是现在最奥秘的粒子之一。它们不带电,质量极小,简直不与其他物质发作彼此作用。它们如鬼魂一般穿透地球,来无影去无踪,每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每个人的身体。

正由于中微子不会像光子、电子相同,与其他粒子彼此作用,它们所带着的关于恒星、黑洞甚至整个世界的 中心隐秘 ,吸引着猎奇的人类。

它们能够直接穿过剧烈 焚烧 的恒星内部而不被吞噬,成为人类了解恒星中心核反响进程的前言;它们在世界诞生之初就已存在,且不像光子在世界大爆炸38万年之后才完毕和其他粒子彼此作用开端传达,所以也是研讨世界最前期前史的载体。

上世纪50年代,科学家初次观测到中微子的存在,后来又发现中微子其实有三种,分别是电子中微子、 中微子、 中微子,它们在飞翔时能够 一人分饰三角 ,在三种类别之间彼此转化,这也被称作中微子振动。

在这个范畴,我国是后来者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子试验室宣告发现新的中微子振动形式,成为中微子研讨的一个重要里程碑。

可是,中微子仍有太多未解之谜。江门中微子试验副发言人、中科院高能物理所研讨员曹俊指出,中微子很难勘探,许多试验研讨发展有限,便是由于捕捉到的中微子信号太少,数据太少。

JUNO地理位置。

JUNO地理位置。

超级玻璃球

勘探中微子,一种方法是通过液体闪耀体勘探器来捕捉它们发作的信号。

科研人员在有机玻璃球里注入通明的特制液体 液体闪耀体,当中微子穿过球体时,会有必定的几率和液体里布满的氢核发作反响。每一次反响发作一个正电子和一个中子,正电子随即湮灭开释出一个快信号,中子则在重复磕碰后被其他氢核吸收并开释出一个慢信号。一前一后两次闪耀,就透露了中微子的行迹。

为了进步勘探灵敏度,JUNO的选址通过精心测算。试验室建在地下,以屏蔽世界射线的搅扰;间隔阳江核电站和台山核电站都是53公里,能够一起使用两者开释的海量中微子,并画出更精密的中微子能谱图。

可是,较长的间隔也会形成中微子流的 稀释 ,就比如放焰火,火花四散,越往外密度越低。JUNO比现在世界上最大的中微子液闪勘探器 日本的KamLAND勘探器还要大20倍,后者注入了1000吨液闪,而JUNO要包容两万吨液闪,才干尽可能多地 抓获 中微子。

勘探器越大,捕捉到的信号就越多,数据量就越大,就越能看到他人所看不到的。 曹俊说。

依据规划计划,JUNO会由265块有机玻璃板现场拼装而成,并被钢架固定在一个装有约4万吨纯净水的大池中。

这么大的玻璃球,给工程建造带来了应战。江门中微子试验项目组先后请来几个闻名力学团队协助规划,并搭建了专门试验室,测验有机玻璃的力学功能和老化状况,还造了一个直径3米的小球来验证核算和测验是否精确。

通过试验证明无误后,咱们才把这套算法用来规划大的勘探器。咱们要保证它能运转30年。 曹俊说。

为保证12层楼高大球的规划安全无误,科研人员先造出直径3米的小球,进行模拟试验。图为小球模型吊装。

为保证12层楼高大球的规划安全无误,科研人员先造出直径3米的小球,进行模拟试验。图为小球模型吊装。

捕获 微光

仅仅把勘探器造很大,还不行。中微子引发的闪耀十分弱小,肉眼无法看到。科研人员还要调配出极端通明的液闪,并在玻璃球外装置数万个光电倍增管,才干让微光 显形 。

液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。 咱们在南京找到了契合条件的厂家,出产出特制的液体,直接导入罐装车,运往南边的试验室。 曹俊说。

在注入玻璃球前,为了铲除运送进程带来的污染,科研人员还要把液体又 洗 又 蒸 :用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学搅扰和天然放射性;往液体里加两种发光物质,再用超纯水洗一遍;最终,进行蒸汽剥离和水萃取。

这能够说是世界上最通明的液体,多么弱小的光都能够透过。 曹俊说。

穿过液闪的光子,随即会被布满在球外的2万个20英寸光电倍增管和2万5千个3英寸光电倍增管 捕获 。这些光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,能够看到任何信号微澜。

科研人员正在测验光电倍增管功能。

科研人员正在测验光电倍增管功能。

20英寸光电倍增管制作难度很大,其间15000个由国内研制作产。 开始,JUNO计划全部从国外收购,但其时只要日本一家公司出产,光这一项就要花费整个项目40%的经费,并且信号搜集功率也达不到要求。所以,咱们决议自主研制。 JUNO光电器材功能标定试验室的朱瑶回忆说。

从2009年树立至今,朱瑶地点的试验室奋斗了10年,研讨出一套和国外产品彻底不同的技能计划。

光子进入光电倍增管,会被转化成电子,通过微通道板屡次倍增后,一个电子能够变成一千万个电子,信号就被扩大了。咱们研制的微通道板,是将一根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管揉捏在一起,然后切片,不只倍增作用好,搜集功率高,还使出产成本下降了一半。 朱瑶说。

未来,这些被扩大的光电信号或许能够协助科学家解开一个重要的谜题 中微子的质量次序,即三种中微子哪个最重。

中微子的质量次序是自然界的基本参数之一,影响世界的演化进程。知道了质量次序,能够为其他研讨铺路。 曹俊说, 理论家一向企图树立统辖世界万物的大统一理论,质量次序是查验这些理论是否正确的钥匙。

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