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Don Lincoln是美国能源部Fermilab的资深科学家,Fer

    日期:2018-09-18

大科学通常QQ分分彩意味着艰苦的思考和聪明的规划,这将导致最先进的设施,并且希望改变范式的发现。今天,科学领袖和受邀的贵宾们为实现这些梦想迈出了具体的一步:他们将在一个科学实验室上取得突破,他们希望这些实验室能够揭示关于统治宇宙的规则。

这个名为Deep Underground Neutrino Experiment(DUNE)的新设施将被安置在Sanford地下研究设施(SURF),这里曾是南达科他州Lead的Homestake金矿。

DUNE将在芝加哥西部的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)距离800英里(1,280公里)处发现称为中微子的亚原子粒子。(完全披露:我是费米实验室的资深科学家,虽然我从未参与中微子研究。但是,我是一个巨大的粉丝。)

DUNE是一项巨大的努力,涉及来自全球的1000多名科学家。探测器非常庞大,需要在Homestake矿区建造一个4,850英尺(1,500米)的洞穴。为了制造这个洞穴,工人需要挖掘80万吨(725,000公吨)的岩石,这相当于大约8艘现代航空母舰的重量。在高峰期,这次挖掘将在南达科他州创造约2,000个工作岗位,并在伊利诺伊州费米拉布附近创造类似数量。[ 6酷地下科学实验室 ]

深地下中微子实验(DUNE)位于南达科他州的Homestake金矿,将探测伊利诺伊州费米实验室创建的中微子。中微子是亚原子粒子,但与质子,中子和电子不同,它们在原子结构中不起关键作用。相反,在地球上,它们是在放射性元素衰变时产生的 - 这个过程称为β衰变 - 特别是当中子衰变成质子时。弱核力是导致β衰变的原因。实际上,在三种已知的亚原子力(电磁力和强弱核力)中,中微子只感受到弱力。由于弱力很弱,中微子与物质的相互作用非常小。

这些幽灵般的粒子在宇宙中无处不在。除了在β辐射中产生之外,它们还在核反应堆中大量制造。然而,虽然遍布全球的核电站确实制造了中微子,但到目前为止,最大的核反应是太阳。太阳每秒释放出如此多的中微子,QQ分分彩官网即使地球距离大约9300万英里(1.5亿公里),平均来说,太阳中大约100万亿个中微子在你的生命中每一秒都会穿过你。这些中微子根本不会给你带来任何危险。

为了弄清楚为什么这是真的,假设你是一个中微子恐惧症的人,并希望保护自己免受上面不断的降雨。这是可能的,至少在理论意义上是这样。中微子确实与物质微弱地相互作用。如果你想保护自己不受太阳中微子的影响,你可以使用厚厚的铅块。厚厚的,我的意思是真的很厚 - 要阻止太阳的中微子的一半,这块铅必须足够厚,以填补地球和太阳之后的第二个最接近的恒星之间的空间:半人马座阿尔法星,这是距离我们超过4光年。如果中微子可以通过那么多的铅,他们当然可以通过你(甚至地球,就此而言)。

中微子惊喜

那么,为什么中微子很有趣呢?嗯,在过去的一个世纪左右,他们多次让科学家感到惊讶。即使中微子在β衰变中发射,它们的相互作用也很弱,以至于科学家很久以前就无法发现它们。因此,看起来β衰变打破了物理定律,因为能量和动量似乎无法保存。(换句话说,初始原子核的能量在腐烂后无法完全解释。)

1930年,物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)提出了无形的,基本上无法察觉的粒子,作为解释β衰变问题的“ 绝望的补救措施 ”。(并且,作为旁注,Pauli在一次会议上通过一封信,而不是亲自提出他的想法。似乎他在派对上不可或缺,无法参加会议。这并不令人惊讶 - 物理学家们众所周知的“有趣”科学家。)

直到1956年,科学家才发现了核反应堆排放的中微子。进行这项实验的科学家Frederick Reines和Clyde Cowan曾考虑在决定使用不太引人注目的反应堆之前试图从核爆炸中捕获中微子脉冲。[ 物理学中最重要的18个未解之谜 ]

同样在1956年,由Chien-Shiung Wu执行的另一项实验使用钴核的β衰变来证明控制中微子的力 - 即弱核力 - 具有令人惊讶的特征。涉及在我们熟悉的宇宙中可以观察到的弱力的现象在镜子宇宙中是不可能的,也就是说,其中方向被切换 - 例如,左右交换,上下翻转等。

这一想法与强大的核力和电磁学形成鲜明对比,在这QQ分分彩网址种核力和电磁学中可以完成这种方向的交换。但是因为弱力不服从这种上下左右对称,如果爱丽丝确实穿过镜子,她会遇到一个与我们自己截然不同的现实。俄罗斯物理学家Lev Landau最终证明,在我们的宇宙中管理物质的定律控制着镜子宇宙中的反物质,或物质和反物质是镜像。这一涉及中微子和弱力的发现导致教科书被重写。

行为不端的颗粒

在20世纪60年代,中微子给我们带来了更多惊喜。1962年,物理学家Leon Lederman,Melvin Schwartz和Jack Steinberger 发现存在两种类型的中微子。(科学家在2000年在费米实验室观察到了第三种中微子类型。)当化学家雷蒙德戴维斯试图通过使用奥林匹克池大小的干洗液作为中微子探测器来检测太阳中微子时,出现了更大的惊喜。流体中的氯与来自太阳的中微子相互作用,转化为放射性氩和电子。通过测量氩气,科学家们间接地检测到了中微子。作为一个有趣的历史记录,他的探测器也位于Homestake金矿。

虽然戴维斯观察到了太阳中微子,但他只看到了他预期的三分之一。虽然这可能是由于测量或预测中的错误,但后续实验表明他的测量结果是正确的。这种差异的原因可能是中微子在飞行中腐烂 - 但事实证明,这不是答案。另一种可能性是中微子可以从一种变体转变为另外两种变体中的一种。这种变形称为中微子振荡,因为中微子可以从一种类型转变为另一种类型并再次返回。1998年至2001年间公布的一系列实验结果证明了中微子振荡。

反物质的奥秘

随着中微子振荡的发现,科学家们必须更好地了解这一现象。使用粒子加速器最容易获得这些知识。在美国,欧洲和日本,科学家们产生了中微子束。最强大的光束是在费米实验室建造的。一项称为主要注入中微子振荡搜索(MINOS)的早期实验基于明尼苏达州北部的苏丹矿。费米实验室通过地球射击中微子束到MINOS探测器。(请记住,中微子与物质的相互作用非常小,因此没有隧道。中微子实际上是通过地球射击的。)MINOS实验从2005年到2016年进行。后续实验称为NuMI离轴中微子外观(NOVA) 。该远距离探测器位于明尼苏达州的阿什河,于2014年开始运营。费米实验室还为该实验提供了中微子。

因此,自然而言,费米实验室将成为向DUNE射击中微子的主要加速器实验室 - QQ分分彩这次是在南达科他州,而不是明尼苏达州。

那么,科学家希望通过DUNE实现什么?那么,它将更好地表征中微子振荡的特性,但有一个问题特别有趣。费米实验室可以制造中微子和反物质中微子的光束,而DUNE实验可以使用两组光束来研究物质和反物质中微子的振荡特性。QQ分分彩 我们描述物质和能量行为的最佳理论(称为标准模型)预测这两种振荡是相同的。DUNE实验可以确定是否是这种情况。

为什么物质和反物质中微子可能以不同的方式振荡,这是一种诱人的可能性?它可能会解决标准模型的问题。标准模型说我们可以将能量转化为物质,反之亦然。但是当能量转化为物质时,也应该产生等量的反物质。在宇宙大爆炸中,有很多能量。因此,我们的宇宙应该由等量的物质和反物质组成,但它完全由物质组成。我们不知道为什么。

但要记住,吴的1956年的实验表明,在我们的宇宙中控制物质的弱力的定律控制着镜像宇宙中的反物质。因此,这种差异也可能表现为物质和反物质中微子振荡的差异。如果科学家观察到这QQ分分彩网址些振荡中的不对称性,那么可能会揭示物质 - 反物质的不对称性。

DUNE也有其他能力。首先,它将能够探测银河系和附近星系中发生的超新星(恒星爆炸)中的中微子。它还可以搜索中子星合并的暴力天文事件的中微子发射,或者甚至可以说一些关于黑洞相互作用的事件。

DUNE还将寻找质子衰变。标准模型预测质子是稳定的并且不会衰变。在实验上,我们知道如果质子衰变,它们的半衰期超过10 ^ 34年。(也就是说,如果它们完全腐烂。)然而,一些扩展标准模型的新理论预测,质子可能在时间尺度上衰减仅略长于当前极限。因此,如果DUNE看到质子衰变,这将教会我们一些关于宇宙的非常深刻的东西,并且会比能够进入大型强子对撞机的能量高得多,而大型强子对撞机是世界上能量最高的粒子加速器。

DUNE(及其相关的Fermilab中微子束线)有望成为美国未来几十年的旗舰实验。专家的巨大合作将探测数据,看看中微子是否做了意想不到的事情。这是一个真正的可能性,并不会是他们第一次让我们感到惊讶。

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