添加Gd 稀土元素升級觀測站,或將助已100 億年的中微子再次現身

2020-12-23 EDN電子設計技術

中微子，是輕子的一種，是組成自然界的最基本的粒子之一，它個頭小、不帶電，可自由穿過地球，以接近光速運動，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的「隱身人」。最近，日本「超級神岡」（Super-Kamiokande）中微子觀測站通過添加 Gd 稀土元素升級，或將助已100 億年的中微子再次現身。Lz5ednc

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New Atlas 報導稱，日本「超級神岡」（Super-Kamiokande）中微子觀測站剛剛迎來了一次相對簡單的升級。這座位於地下的巨大設施，在水中添加了一種名為釓（Gadolinium，簡稱 Gd）的稀土元素，使之能夠對來自遙遠古老超新星的中微子更加敏感。Lz5ednc

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Super-kamiokande 內景（圖自：ICRR / 東京大學）Lz5ednc

作為一種相當輕質的基本粒子，中微子很少與常規物質發生相互作用，因而能夠不受阻礙地穿過大多數物體。以人體為例，每秒就有約數十億個中微子穿過你的身體。Lz5ednc

不過在偶爾的情況下，中微子也會撞擊原子中的電子。通過適當的觀測，科學家們有機會研究這些碰撞。這也是 Super-K 之類的觀測站最適合被埋在巖石或冰下，以避開其它輻射的一個主要原因。Lz5ednc

據悉，位於日本池野山山下方 1 公裡（0.6 英裡）的 Super-K，自 1996 年以來就一直在靜待探測中微子。Lz5ednc

該設施主要擁有一個高 40 米（130 英尺）的巨大水箱，裡面裝有約 5000 萬升（1300 萬加侖）的超純水，壁上襯有 13000 根光電倍增管。Lz5ednc

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當中微子進入水箱並撞擊水分子時，就會產生微小的閃光。經由光電倍增管的放大，有助於光學傳感器拾取相關信息。Lz5ednc

值得一提的是，根據起源的不同，這些中微子也具有不同的閃爍「指紋」，包括太陽、超新星爆炸、人工實驗、核反應堆、或質子的衰變。Lz5ednc

遺憾的是，儘管超新星特別令人著迷，但這些事件並不經常發生。若將搜索範圍擴大到其它星系（而不是僅限於我們所處的銀河系內），即可增加可拾取的中微子數量。Lz5ednc

此事的難點在於，距離越遠的信號就越微弱，甚至難以將之與背景噪聲區別開來。好消息是，本次 Super-K 升級添加的 Gd 稀土元素，有助於顯著放大那些來自遙遠超新星的中微子信號。Lz5ednc

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7 月份的時候，研究團隊已將約 13 噸的 Gd 化合物添加到了檢測液中，使之達到了約 0.01% 的濃度。Lz5ednc

通過與一些中微子相互作用而產生中子，Gd 可與這些粒子相互作用而產生伽馬射線閃光，使得光學傳感器能夠更容易地發現它們。更重要的是，這不會對其它中微子事件的監測產生負面影響。Lz5ednc

項目負責人 masakauki Nakahata 表示：「在 0.01% 的濃度下，Super-K 檢測中微子碰撞中子的效率有約 50% 」。後續幾年，他們還計劃進一步提升效率，以期觀察到來自遙遠古老超新星的中微子信號。Lz5ednc

研究團隊補充道，這項升級有助於 Super-K 探測到距今已有 100 億年的超新星所產生的中微子，讓我們有機會更好地了解粒子物理學、以及遙遠的宇宙歷史。Lz5ednc

中微子的發現及第一次現身

中微子（義大利語：Neutrino，其字面上的意義為「微小的電中性粒子」，又譯作微中子）是一種電中性的基本粒子，自旋量子數為½，以希臘字母ν標記。現在已經有證據表明其具有質量。但其質量即使相比於其他亞原子粒子也是非常微小的。它可能是現在唯一一種已探測到的暗物質，是一種熱暗物質。Lz5ednc

中微子個頭小、不帶電，可自由穿過地球，自旋為1/2，質量非常輕（有的小於電子的百萬分之一），以接近光速運動，與其他物質的相互作用十分微弱，號稱宇宙間的「隱身人」。科學界從預言它的存在到發現它，用了20多年的時間。Lz5ednc

1931年，泡利在美國物理學會的一場討論會中提出，這種粒子不是原來就存在於原子核中，而是衰變產生的。泡利預言的這個竊走能量的「小偷」就是中微子。1932年真正的中子被發現後，義大利物理學家費米將泡利的「中子」正名為「中微子」。Lz5ednc

1956年，美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子，萊因斯獲1995年諾貝爾獎。Lz5ednc

由於中微子與其他物質的相互作用極小，中微子的探測器必須夠大，以求能觀測到足夠數量的中微子。為了隔絕宇宙射線及其他可能的背景幹擾，中微子的探測儀器時常設立在地底下。由美國國家科學基金會提供的照片顯示的是位於南極站的「冰立方天文臺」，這是世界上最大的中微子探測器。Lz5ednc

2013年11月23日，科學家首次捕捉高能中微子，被稱為宇宙"隱身人"。Lz5ednc

多國研究人員11月21日在美國《科學》雜誌上說，他們利用埋在南極冰下的粒子探測器，首次捕捉到源自太陽系外的高能中微子。科學家評論說，中微子天文學從此進入新時代。中微子是一種神秘的基本粒子，不帶電，質量極小，幾乎不與其他物質作用，在自然界廣泛存在。它能自由地穿過人體、牆壁、山脈乃至整個行星，難以捕捉和探測，因而被稱為宇宙中的「隱身人」。Lz5ednc

中微子謎團

中微子有大量謎團尚未解開。首先它的質量尚未直接測到，大小未知；Lz5ednc

其次，中微子與它的反粒子是否為同一種粒子也不得而知；Lz5ednc

第三，中微子振蕩還有兩個參數未測到，而這兩個參數很可能與宇宙中反物質缺失之謎有關；Lz5ednc

第四，它有沒有磁矩；等等。Lz5ednc

因此，中微子成了粒子物理、天體物理、宇宙學、地球物理的交叉與熱點學科。Lz5ednc

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責編：ChalleyLz5ednc

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