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印度政府拟建有史以来最昂贵的基础科学设备

发布时间:2019-11-19 13:13编辑:联系我们浏览(199)

    印度政府拟建有史以来最昂贵的基础科学设备
    冰立方:何时开启一个新天堂
    科学家讲述探索中微子的故事

    37年前,Naba Mondal开始了自己的职业生涯——在印度南部的一座金矿中捕捉一种“神出鬼没”的,名为中微子的亚原子粒子。现在,作为孟买塔塔基础研究院的一名物理学家,Mondal希望回到地下,解答中微子物理学的下一个重大问题。

    我们看到了粒子流,现在我们必须找出它对天文学的价值。

    近日,印度中央政府批准了建造印度中微子天文台的计划,这个耗资2.44亿美元、长达1200米的设备将位于印度南部的一座山脉下方。它的目标——确定3种中微子中哪种是最重的以及哪种是最轻的,可能看似晦涩,但却能帮助物理学上的其他基础问题,例如中微子是如何获得质量的、他们是否是自己的反粒子,以及为何宇宙中的物质远多于反物质。

    1年半前,与世界最奇特科学仪器“共事”的物理学家获得一个喜忧参半的突破。这台巨大的冰立方粒子探测器探测到来自外太空幽灵般的亚原子粒子——中微子。“冰立方”是世界上最大的粒子探测器之一,坐落于南极。5160个光传感器呈三维模式排列在南极深厚的冰层中,组成了一张特制的“网”,用于捕捉中微子。这是自1987年以来,科学家首次捕获到来自太阳系外的中微子。

    INO将与其他国家的新设备展开中微子质量层面的角逐。“印度不会输掉这场竞赛。”西班牙坎弗兰克地下实验室研究人员Alessandro Bettini说。但INO是在与环境关注、无根据的辐射恐惧和官僚阻碍进行了数年战争后,才“姗姗来迟”。

    研究人员之前探测到太阳发射出能量较低的中微子涌流,并且这些如流星雨一般的粒子在大气层中会发生相互作用。但除了1987年附近超新星爆发涌出的中微子流,人们从未探测到来自宇宙深处的这些“天外来客”。

    即便功亏一篑,作为印度有史以来最昂贵的基础科学设备,INO仍将对该国的科学家产生深远影响。INO计划于2020年开始运转,它将成为印度粒子物理学家回归的契机,在过去25年里,他们中的许多人分散在世界各地。而且,INO团队还计划推动该设备超越中微子学,延伸到其他领域,例如寻找暗物质。该国科学和技术部部长K. VijayRaghavan 表示,INO将“改变印度物理学现状,并将带来全球影响”。

    一些物理学家表示,这是一个诺贝尔级别的发现,但它听起来也像是一个严重警告。冰立方每年仅能探测到约12个中微子。以这样缓慢的速率,这架耗资2.79亿美元的探测器可能永远不会像宣传语说的那样:作为一架中微子望远镜,它能打开一个全新的天堂。

    中微子产生自恒星、核反应堆和粒子加速器,以及宇宙射线撞进上层大气中时。它们仅通过弱作用力与其他物质相互作用,因此难以被探测到。而且,由于宇宙射线会在地球表面湮灭中微子信号,因此物理学家不得不在地下研究这种粒子——它们能悄悄穿过数千米的坚硬岩石。

    但随着数据的不断收集,研究人员是乐观的。美国威斯康星大学理论物理学家Francis Halzen表示,终究事实证明,宇宙中微子的发现意味着一台足够大的探测器能收获足够多的信息,以便研究天空。“我们看到了粒子流,现在我们必须找出它对天文学的价值。”他说。Halzen及其团队正推动扩大冰立方的规模。同时,其他研究人员正在开发更便宜有效的方法。

    印度曾经处于中微子研究的前沿。1964年,一个TIFR团队在该国南部的科拉尔金矿区的一个矿井中首次发现了在大气层中产生的中微子。1992年,该矿井关闭,印度高能物理学家开始在海外寻找研究“天堂”,例如美国费米国家加速器实验室和欧洲核子研究中心。

    完美的中微子

    但Mondal和其他远赴海外的同事决定回归祖国。他表示,2001年前后,“我们就开始考虑在哪里将能产生影响”。他们选择回到印度,建设科拉尔探测器的超大型版本:一个铁制热量计,它能探测一种名为μ介子的带电粒子。当μ中微子与铁原子核纠缠在一起就产生了这种粒子。

    更重要的是,这些宇宙中微子已经在讲述一个故事,尤其是当与来自深空的其他粒子(被称为伽马射线的高能光子及超高能宇宙射线)一起时。物理学家一直想知道大部分中微子、伽马射线和宇宙射线来源于哪里。冰立方团队成员、瑞典乌普萨拉大学物理学家Olga Botner表示,日前,在一次引人注意的会上,所有这3个问题似乎都有同样的答案。“我们相信产生宇宙射线的‘引擎’,也产生了伽马射线和中微子。”她说。

    如果能足够精确地计算大气层中产生的μ中微子,INO物理学家将能确定这种中微子的质量等级。在经历了一个名为中微子振荡的过程后,中微子能从一种类型变为另一种类型,而这一过程取决于它们的质量差别。从此类振荡中,物理学家了解到两种中微子的质量接近,而另一种则存在明显不同,但他们不清楚是否是两个重中微子和一个轻中微子,还是正好相反。通过对比μ中微子和μ反中微子的变形,INO物理学家希望能找到答案。

    如果这样的话,物理学家就只有一个谜题需要解开。这也暗示,解决方案将不需要外来的新粒子物理学:有关恒星和星系的传统天体物理学就能满足。

    但这可能需要一个非常大的探测器。5万吨重、48米长,INO的热量计将是在建的最大规模的此类设备。夹在140块铁板之间的3万多个薄玻璃电阻板室,将能探测μ介子,并测量它们的特性。由于过于庞大,目前现有矿井无法容纳,因此该设备需要一个量身打造的洞穴。

    对于追踪宇宙奥秘,来自宇宙的中微子有比其他粒子更大的优势。带电的宇宙射线会在星系磁场中打转;伽马射线会与宇宙大爆炸后徘徊不去的宇宙微波背景辐射相缠绕。相反,不带电的中微子能在宇宙中急速径直地穿越。“中微子是最终的高能‘信使’。”伊利诺伊州芝加哥大学物理学家Abigail Vieregg说,“如果你能看到,它们是完美的。”

    印度地质调查局建议INO团队勘探泰米尔纳德邦的一处花岗岩山脉。但当地的森林官员反对该提议,因为这座山脉位于一个老虎保护区的边缘。在经历了漫长的僵持后,INO团队于2009年“铩羽而归”,该地质调查局又为他们建议了现在的这个位置,同样位于泰米尔纳德邦。他们再次遇到当地的激烈反对。

    而这是最困难的部分之一。中微子与其他物质的相互作用十分微弱,每秒亿万颗中微子刺穿人体却未被发现。要辨认这些相互作用,探测器必须非常巨大。因此,冰立方体积达1立方公里,包含10亿吨冰。

    村民担心INO将会产生“人造中微子”,其放射性会使人和牲畜患病。Mondal提到,然后有谣言表示,政府将在INO倾倒核废料。他的团队开展了一系列宣传活动,并将目标设定在当地的教授和高校学生身上。“如果能将概念传达给学生,他们就能跟父母交流。”他说。而科学家也能尝到甜头:设施员工将主要在当地雇佣。

    这些冰是冰立方的中微子“捕手”。在极少情况下,中微子会撞到原子,结果产生一种叫作μ子的粒子以及一种蓝光闪烁特征,探测器可以捕获这种闪烁。在冰立方中,中微子在与冰层中的氧原子相撞时,撞击会产生微弱的蓝色闪光,并且科学家可以根据蓝光判断中微子飞入探测器时的方向和能量。

    Mondal团队最初希望INO能在2012年建成投产。8年的延迟为其他致力于中微子质量研究的设备敞开了大门,例如中国的江门地下中微子观测台和美国—日本的NOνA实验。但无论发生什么,Mondal坚持,印度将会取得胜利:“一个大型科学项目将激励年轻人热爱科学。”

    但不幸的是,对于宇宙中微子猎人而言,其他许多粒子也会在探测器中产生相似信号。闯入大气层的宇宙射线也能产生许多中微子和μ子。而大气层中微子数量与宇宙中微子数量的比是1000:1。

    在经过一系列筛选后,从2010年5月到2012年5月,冰立方探测器研究团队发现了28个能量超过30万亿电子伏的中微子,其中两个甚至超过1000TeV。这一能量要高于大多数大气层中微子的能量。研究人员估计,它们中仅有11个可能是由大气层中微子和普通宇宙射线伪造的背景事件。而Botner表示,现在收获的数字是54个,其中3个的能量高于1000 TeV。盐湖城犹他大学宇宙射线物理学家Pierre Sokolsky指出,这些被确定是宇宙中微子。

    依然成谜

    但如果中微子打开了探索宇宙的新窗户,这扇窗也仍然晦暗。冰立方探测到的大部分事件像瀑布似的,只能在10~15度的方向追踪中微子。迄今为止,冰立方团队的所有物理学家能说的是,宇宙中微子似乎来自整个天空。这暗示它们产生于银河系之外。

    至于直接寻找中微子的来源,到目前为止,冰立方只确定一个可能的候选者,名为伽马射线爆发的恒星爆发。但冰立方团队的物理学家没有发现宇宙中微子的时间和其他设备记录的伽马射线暴时间之间存在相关性。Botner表示,来自伽马射线暴的中微子不超过1%。

    不过,尽管冰立方没有发现宇宙中微子的来源,其数据仍揭示了有关这些粒子的信息。尤其是,这些结论将宇宙中微子与最神秘的宇宙粒子联系在一起。

    超高能宇宙射线能将能量压缩到1亿TeV,它们会以每100年1平方公里的比例撞击地球。要辨别出它们,物理学家需要部署大规模探测器,例如位于阿根廷的皮埃尔·奥格天文台和位于犹他州东部沙漠的望远镜阵列。但目前仍没有人知道这些超高能宇宙射线来自哪里以及如何获得如此高的能量。一些理论学家认为,它们来自大爆炸时期就存在的大质量粒子衰退,或者可能来源于超新星残骸等更传统的天体物理学“加速器”。

    到目前为止,冰立方的数据支持天体物理学版本。原因是这与1998年Eli Waxman(目前供职于以色列魏兹曼科学院)和稍后的普林斯顿高等研究院的John Bahcall的估计结果相吻合。Waxman和Bahcall假设,宇宙中微子来自一连串标准粒子相互作用,这个作用始于超高能质子在宇宙中与光子相撞。撞击会产生一种带电介子,它能衰退成1个μ子和3个中微子。他们推断,到达地球的宇宙中微子的数量可能依赖于形成超高能宇宙射线的质子的数量。

    Botner表示,实际上,冰立方的测量结果与Waxman-Bahcall推断相匹配。这就意味着,产生超高能宇宙射线的天体物理学来源也产生了宇宙中微子。相反,如果宇宙射线和中微子的来源不同,或来自特大质量粒子衰变,测量结果将不会匹配。

    扩大规模

    为了测验这些结论,物理学家需要寻找更多中微子,并找到部分来源。冰立方团队有更直接的计划:将设备扩大到目前体积的10倍。Halzen表示,这样做可能只需要加倍光传感器的数量。他指出,南极冰比预期的更澄清,因此新传感器间距可以比目前的间距更大。Halzen说:“从现在开始的几年里,我们和探测器将会取得哪些成功?那个问题我们可能永远无法回答,我们希望能有一台更大的探测器。”

    今年夏天,冰立方团队计划向美国国家科学基金会申请3亿美元的经费增加额,他们希望能在未来10年完成扩展工作。时间表并不像听上去那样悠闲。研究人员在南极的工作时间只有每年夏天,而且利用专业水力钻探工具钻一个洞可能需要数天。“如果你从2026年反推,并没有剩下多少时间。”Botner说。确实,工作人员花费了7年时间才安装完成现在的冰立方探测器。

    不过,简单地在其表面增加探测器或许可以提高冰立方的发展速度。目前,81个表面探测器基本覆盖了冰立方1.2平方公里的范围,而德国亚琛工业大学Jan Auffenberg表示,将其扩展到150平方公里,将极大提高物理学家追踪宇宙中微子来源的能力。

    Waxman预测,如果科学家能扩展冰立方,将至少发现数个来源。这些观测将测验新兴的一体化模型。“人们将确定下一步需要做什么。”Waxman说。但他指出,一台更大的探测器并不够。而要找到这些来源,研究人员可能还需要许多年。但无论如何,虽然人们尚未到达中微子天文学“王国”,但它最终将触手可及。

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