视觉论坛VISIONBBS微信公众号:石鑫华视觉网

 找回密码
 注册会员
查看: 1064|回复: 0

[科技] 粒子探测器“冰立方”:藏在南极的中微子“捕手”

[复制链接]
  • TA的每日心情
    开心
    2015-3-26 16:24
  • 签到天数: 161 天

    [LV.7]70FPS

    发表于 2013-12-5 22:08:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
    “冰立方”是世界上最大的粒子探测器,座落于南极。5000多个传感器像神经末梢一样分布在南极深厚的冰层中,组成了这张特制的“网”,用于捕捉中微子,由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的200余名物理学家和工程师组成的合作小组来操作。. B" {5 j0 Y) c- U5 {) [5 Y

    9 ~4 v5 t2 z6 }- E; {$ n
    位于美国阿蒙森-斯科特南极站(Amundsen-Scott South Pole Station)的冰立方天文台在朝霞中迎接破晓,这里是科学家们处理冰下传感器数据的地方。
    ①科学家正在标示一架粒子探测传感器,它是冰立方中微子天文台上的部分装置,该天文台于2010年12月份在南极建造完工。
    ②冰立方建设小组的成员在测试传感器(图左部分显露),另一位科学家正在将一个单独的传感器挂在电缆上。
    ③在这张拍摄于2010年12月的照片中,一架冰立方传感器正在被放入钻好的冰洞中,这样的冰洞共有86个。
    就像英国粒子天体物理学家素比·萨卡尔(Subir Sarkar)教授所说:“你不是想研究天上吗?可你却把自己埋进地下”。果然,被安装于南极深厚冰层之下的 “冰立方”传来了好消息。
    就在嫦娥三号成功发射的几天前,一项宇宙射线研究有了最新结果,被称为“冰立方(IceCube)”的中微子探测器首次探测到来自外太空的中微子。
    新闻缘起
    “冰立方”捕获来自太阳系外的中微子
    在分析了2010年5月至2012年5月“冰立方”收集的数据后,科学家发现了28个高能中微子,其能量都超过30万亿电子伏特。这是自1987年以来,科学家们首次捕获到来自太阳系外的中微子。
    微中子是一种神秘的高能粒子,是宇宙内最剧烈的撞击产物,并被认为是研究宇宙射线的突破口。
    研究人员表示,“冰立方”为我们打开了宇宙的一个新窗口。这一发现为进行新型天文学研究铺平了道路,我们可以利用探测器探测银河系以及银河系以外的遥远区域。
    研究报告的作者之一、阿德莱德大学的加里·希尔博士称:“这是我们发现的第一个坚实证据,证明我们探测到来自太阳系以外‘宇宙加速器’的高能微中子。”
    “捕手”揭秘
    5000多个“神经末梢”
    “冰立方”是世界上最大的粒子探测器,座落于南极。5000多个传感器像神经末梢一样分布在南极深厚的冰层中,组成了这张特制的“网”,用于捕捉中微子,由来自美国、德国、瑞典、比利时、瑞士、日本、加拿大、新西兰、澳大利亚和巴巴多斯的200余名物理学家和工程师组成的合作小组来操作。
    自2004年开始,工程师们都会在每年的12月到南极冰层中铺设光线感应器。到2010年,他们一共钻了80余个深达2500米的冰洞,每两个洞之间相隔800米,而每一条冻结在洞里面的电缆包含有60个光线感应器。
    “冰立方”历时10年建成,这个位于南极地下约2.5千米的探测器体量大得惊人。有报道称,“冰立方”体积达到1立方公里,超过纽约帝国大厦、芝加哥威利斯大厦和上海世界金融中心的总和。
    南极冰雪充当过滤网
    此前,“冰立方”有前辈们被建立在了深达1千米的地下矿井中。但研究者认为,南极是进行此项研究的最佳场所,因为这里的冰雪异常纯净,几乎完全不含气泡和其他可能影响探测结果精确性的干扰。并且,冰充当了一个过滤网,过滤出中微子,使其更容易被观测到。此外,冰层也能保护望远镜免遭辐射侵蚀。
    科学家们表示,随着更多的数据从“冰立方”中产出,不仅将帮助科学家确定宇宙射线的来源、暗物质和宇宙进化的影响等现象,它还会发现一些意想不到的现象。
    探测原理
    捕捉一闪即逝的蓝光
    当宇宙射线中的高能粒子轰击其他物质原子,将产生辐射和中微子。中微子是宇宙中除了光子之外最多的粒子。但是它们却是最难以探测的粒子,因为它们不带电荷,并且几乎没有质量,这意味着它们可以畅通无阻的穿过岩石、金属,甚至人体。
    来自果壳网的文章称,中微子是粒子世界里出了名的“隐士”。它无影无踪,又来去匆匆。它几乎以光速运动,从它初生的地方沿着直线飞射出去。它的穿透性极强,拦在它路上的所有物质几乎都被无视。对它来说,太阳、地球乃至人体几乎就和不存在一样。
    每秒钟都会有一千万亿个来自太阳的中微子穿过人的身体,其中上百亿穿过眼睛,甚至在夜晚,太阳位于地球另一边时也一样。
    在极少的情况下,中微子会撞到原子。这样的结果是产生一种叫作μ子的粒子(这是中微子的一种)以及一种特征蓝光闪烁,探测器可以捕获这种闪烁(高速中微子在通过介质时,如果其速度大于光在这种介质中的传播速度,会产生蓝色辉光,即切连科夫辐射)。
    “冰立方”中,中微子在与冰层中的氧原子发生相撞时,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微中子飞入探测器时的方向和能量。
    “冰立方”的前辈
    萨德伯里中微子观测站
    萨德伯里中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory,缩写为SNO)是一个位于加拿大安大略省2100米深的镍矿中的中微子探测器,根据高速中微子在水中运动产生的切连科夫辐射探测中微子。萨德伯里中微子观测站于1999年5月正式启用,2006年11月28日关闭,但数据分析工作还在继续进行。
    萨德伯里中微子天文台也是根据切连科夫辐射间接探测中微子。它的主要部分是一个直径12米的球形容器,里面装有1000吨重水,容器壁用丙烯酸树脂制成,厚度为5厘米,容器的周围安装了9600个光电倍增管,用于探测切连科夫辐射的光子。
    整个探测器浸泡在30米高的装满普通水的圆柱形容器中,安装在安大略省萨德伯里附近国际镍业公司的矿井里,深度达到6800英尺(2100米),这样做的目的是利用地层对宇宙线进行屏蔽,以减轻干扰。
    超级神冈探测器
    超级神冈探测器(Super-Kamiokande)是日本建造的大型中微子探测器,最初目标是探测质子衰变,也能够探测太阳、地球大气和超新星爆发产生的中微子。它于1982年开始建造,1983年完工,位于日本岐阜县的一个深达1000米的废弃砷矿中,主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器,盛有5万吨高纯度的水,容器的内壁上安装有11200个光电倍增管,用于探测高速中微子在水中通过时产生的切连科夫辐射。
    1985年,探测器开始进行扩建,名为神冈核子衰变实验Ⅱ期(KamiokaNDE-Ⅱ),灵敏度大大提高。1987年2月,神冈探测器与美国的探测器共同发现了大麦哲伦云中超新星1987A爆发时产生的中微子,这是人类首次探测到太阳系以外的天体产生的中微子。
    不得不说的大亚湾
    发现中微子第三种震荡模式
    中微子共有三种类型,它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,称为中微子振荡。中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实,其发现者凭此获得了2002年诺贝尔奖,但第三种振荡则一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在。由于科学意义重大,国际上先后有7个国家提出了8个实验方案寻找中微子第三种振荡,最终进入建设阶段的共有3个。
    2003年,中国科学院高能物理研究所的科研人员提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的第三种振荡,并提出了实验和探测器设计的总体方案。
    由于这一方案具有独特的地理优势和独到的设计,得到了国际上的广泛支持,汇集了来自中国大陆、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾等国家和地区的200多名科学家共同参与。
    大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验,它通过分布在三个实验大厅的8个探测器来获取数据。每个探测器为直径5米、高5米的圆柱形,装满透明的液体闪烁体,总重110吨。周围紧邻的核反应堆产生海量的电子反中微子,近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量,而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。
    在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中,科研人员使用了6个中微子探测器,完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明中微子第三种振荡几率为9.2%,误差为1.7%,从而首次发现了这种新的中微子振荡模式。

    * ?& |; _. J. A6 Z0 Z' T
    3 y# ~' ]2 ]( I8 P8 R& \' ?) O' t# Z, A

    , a5 T1 T8 `! `' }5 ^: e. H
    2 I4 [% r. G6 [$ x( l: ?3 p; E, B

    ' E4 v" p# |9 `) ?
    2 z! M! {7 @* \5 h' h$ J+ b

    4 l4 f/ r! R9 U$ N

    1 T, P0 |3 R% T2 S6 ]
    ) ]) L( `$ M, A$ ^* F1 ]" P
    回复

    使用道具 举报

    您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册会员

    本版积分规则

    淘宝机器视觉商城

    Archiver|手机版|小黑屋| 机器视觉之家|东莞市华动智能科技有限公司 ( 粤ICP备17078359号-2 ) |网站地图

    GMT+8, 2018-12-19 19:06

    Powered by shixinhua.com X3.4

    © 2009-2018 VISIONBBS.COM 浏览量:

    快速回复 返回顶部 返回列表