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中国建造超大玻璃球求解“幽灵粒子”之谜

时间:2020-01-10 16:26:39 出处:彩神_彩神APP_彩神APP下载

  JUNO探测器示意图。(中科院高能所供图)

  新华社北京12月26日电(记者全晓书 王攀 荆淮侨)在一一个多 12层楼高的玻璃球里注入透明汽体,中国科学家打算造一一个多 全世界最大的“水晶球”来捕捉宇宙中的“极速粒子”——中微子,从而找到通向物理新世界的大门。

  你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 将把一一个多 直径达35.4米的有机玻璃球安里装去广东省江门市西南部的打石山中。施工人员机会在700多米深的花岗岩下方千年古墓一一个多 空洞,作为未来的实验大厅。

  “你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 无缘无故在不停地抽排地下水。现在,水位已明显降低,相信变快就能排干净。”江门中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳近期介绍项目进展时说。

  江门中微子实验(JUNO)于2015年1月开工建设。若顺利,明年年中,施工人员将现在现在开使在地下实验厅中组装巨大的球形探测器。

  这是中国最复杂化的高能物理实验装置,预计2022年建成。与当前最好的国际类似于于设备相比,它的规模要大20倍,精度提高近一倍。

  JUNO规划图。(中科院高能所供图)

  “极速粒子”

  中微子是组成自然界的有一种基本粒子,在宇宙中广泛发生。大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,类似于于太阳发光、超新星爆发、宇宙射线、核反应堆发电等。

  中微子也是目前最神秘的粒子之一。它们不带电,质量极小,几乎不与或多或少物质发生相互作用。它们如极速一般穿透地球,来无影去无踪,每秒钟不会 3亿亿个来自太阳的中微子穿过每此人 的身体。

  正机会中微子不用像光子、电子一样,与或多或少粒子相互作用,它们所携带的关于恒星、黑洞乃至整个宇宙的“核心秘密”,吸引着好奇的人类。

  它们都都后能 直接穿过剧烈“燃烧”的恒星组织组织结构而不被吞噬,成为人类了解恒星中心核反应过程的媒介;它们在宇宙诞生之初就已发生,且不像光子在宇宙大爆炸310万年前一天才现在现在开使和或多或少粒子相互作用现在现在开使传播,过多也是研究宇宙最早期历史的载体。

  上世纪500年代,科学家首次观测到中微子的发生,本来又发现中微子人太好有有一种,分别是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞行时都都后能 “一人分饰三角”,在有一种类别之间相互转化,这也被称作中微子振荡。

  在或多或少领域,中国是本来者,但做出了重要贡献。2012年,大亚湾中微子实验室宣告发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的一一个多 重要里程碑。

  但会 ,中微子仍有过多未解之谜。江门中微子实验副发言人、中科院高能物理所研究员曹俊指出,中微子太难探测,过多实验研究进展有限,过多我机会捕捉到的中微子信号过多,数据过多。

  JUNO地理位置。(中科院高能所供图)

  超级玻璃球

  探测中微子,有一种措施是通过汽体闪烁体探测器来捕捉它们产生的信号。

  科研人员在有机玻璃球里注入透明的特制汽体——汽体闪烁体(简称“液闪”),当中微子穿过球体时,会有一定的几率和汽体里密布的氢核发生反应。每一次反应产生一一个多 正电子和一一个多 中子,正电子随即湮灭释放出一一个多 快信号,中子则在反复碰撞后被或多或少氢核吸收并释放出一一个多 慢信号。一前一后两次闪烁,就透露了中微子的行踪。

  为了提高探测灵敏度,JUNO的选址经过精心测算。实验室建在地下,以屏蔽宇宙射线的干扰;距离阳江核电站和台山核电站不会 53公里,都都后能 一起去利用两者释放的海量中微子,并画出更精细的中微子能谱图。

  但会 ,较长的距离也会造成中微子流的“稀释”,就好比放烟花,火花四散,越往外密度越低。JUNO比目前世界上最大的中微子液闪探测器——日本的KamLAND探测器都要大20倍,后者注入了50000吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,要能尽机会多地“俘获”中微子。

  “探测器越大,捕捉到的信号就过多,数据量就越大,就越能就看别人所看要能的。”曹俊说。

  根据设计方案,JUNO会由265块有机玻璃板现场组装而成,并被钢架固定在一一个多 装有约4万吨纯净水的大池中。

  这样大的玻璃球,给工程建设带来了挑战。江门中微子实验项目组先后请来几块知名力学团队帮忙设计,并搭建了专门实验室,测试有机玻璃的力学性能和老化情况表,还造了一一个多 直径3米的小球来验证计算和测试否是准确。

  “经过实验证明无误后,你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 才把这套算法用来设计大的探测器。你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 要确保它能运行500年。”曹俊说。

  为确保12层楼高大球的设计安全无误,科研人员先发明家 家 直径3米的小球,进行模拟实验。图为小球模型吊装。(中科院高能所供图)

  “捕获”微光

  仅仅把探测器造很大,还不够。中微子引发的闪烁非常微弱,肉眼无法就看。科研人员都要调配出极其透明的液闪,并在玻璃球外安装数万个光电倍增管,要能让微光“显形”。

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 在南京找到了符合条件的厂家,生产出特制的汽体,直接导入罐装车,运往南方的实验室。”曹俊说。

  在注入玻璃球前,为了清除运输过程带来的污染,科研人员都要把汽体又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,去除光学干扰和天然植物放射性;往汽体里加有一种发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这都都后能 说是世界上最透明的汽体,多么微弱的光都都后能 透过。”曹俊说。

  穿过液闪的光子,随即会被密布在球外的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”。哪些光电倍增管就像一只只凸起的眼睛,都都后能 就看任何信号微澜。

  科研人员正在测试光电倍增管性能。(中科院高能所供图)

  20英寸光电倍增管制造难度很大,其中500000个由国内研发生产。“最初,JUNO打算完整篇 从国外采购,但当时要能日本一家公司生产,光或多或少项就最少整个项目40%的经费,但会 信号整理波特率单位也达要能要求。于是,你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 决定自主研发。”JUNO光电器件性能标定实验室的朱瑶回忆说。

  从5009年成立至今,朱瑶所在的实验室奋斗了10年,钻研出一套和国外产品完整篇 不同的技术方案。

  “光子进入光电倍增管,会被转化成电子,经过微通道板多次倍增后,一一个多 电子都都后能 变成一千万个电子,信号就被放大了。你们歌词 歌词 你们歌词 歌词 研发的微通道板,是将三根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一起去,但会 切片,不仅倍增效果好,整理波特率单位高,还使生产成本降低了一半。”朱瑶说。

  未来,哪些被放大的光电信号或许都都后能 帮助科学家解开一一个多 重要的谜题——中微子的质量顺序,即有一种中微子哪个最重。

  “中微子的质量顺序是自然界的基本参数之一,影响宇宙的演化守护进程运行运行。知道了质量顺序,都都后能 为或多或少研究铺路。”曹俊说,“理论家无缘无故试图建立统辖宇宙万物的大统一理论,质量顺序是检验哪些理论否是正确的钥匙。”

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