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[魔兽]中国建造超年夜玻璃球求解“鬼魂粒子”之谜

时间:2020-01-07 21:46:05 作者:惠州市惠阳区福盛乐器厂 热度:99℃
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  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)在一个12层楼高的玻璃球里注进透明液体,中国科学家筹算造一个全世界最年夜的“水晶球”来捕获宇宙中的“鬼魂粒子”——中微子,从而找到通向物理新世界的年夜门。

  他们将把一个直径达35.4米的有机玻璃球安装在广东省江门市西南部的打石山中。施工职员已经在700多米深的花岗岩下方挖出一个浮泛,作为将来的尝试年夜厅。

  “我们一向在不断地抽排地下水。此刻,水位已较着降低,相信很快就能排清洁。”江门中微子尝试讲话人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳近期先容项目进展时说。

  江门中微子尝试(JUNO)于2015年1月开工扶植。若顺遂,来岁年中,施工职员将最先在地下尝试厅中组装庞年夜的球形探测器。

  这是中国最复杂的高能物理尝试装配,估计2022年建成。与当前最好的国际同类设备比拟,它的规模要年夜20倍,精度进步近一倍。

  JUNO规划图。(中科院高能所供图)

  “鬼魂粒子”

  中微子是构成天然界的一种根基粒子,在宇宙中普遍存在。年夜大都粒子物理和核物理过程都陪伴着中微子的发生,例如太阳发光、超新星爆发、宇宙射线、核反映堆发电等。

  中微子也是今朝最神秘的粒子之一。它们不带电,质量极小,几乎不与其他物质发生彼此感化。它们如鬼魂一般穿透地球,来无影往无踪,每秒钟就有3亿亿个来自太阳的中微子穿过每小我的身体。

  正由于中微子不会像光子、电子一样,与其他粒子彼此感化,它们所携带的关于恒星、黑洞甚至整个宇宙的“焦点奥秘”,吸引着好奇的人类。

  它们可以直接穿过猛烈“燃烧”的恒星内部而不被吞噬,成为人类领会恒星中间核反映过程的前言;它们在宇宙降生之初就已存在,且不像光子在宇宙年夜爆炸38万年之后才竣事和其他粒子彼此感化最先传布,所以也是研究宇宙最早期汗青的载体。

  上世纪50年月,科学家初次不雅测到中微子的存在,后来又发现中微子实在有三种,别离是电子中微子、μ中微子、τ中微子,它们在飞翔时可以“一人分饰三角”,在三种种别之间彼此转化,这也被称作中微子振荡。

  在这个范畴,中国过后来者,但做出了主要进献。2012年,年夜亚湾中微子尝试室公布发现新的中微子振荡模式,成为中微子研究的一个主要里程碑。

  可是,中微子仍有太多未解之谜。江门中微子尝试副讲话人、中科院高能物理所研究员曹俊指出,中微子很难探测,良多尝试研究进展有限,就是由于捕获到的中微子旌旗暗号太少,数据太少。

  JUNO地舆位置。(中科院高能所供图)

  超等玻璃球

  探测中微子,一种法子是经由过程液体闪灼体探测器来捕获它们发生的旌旗暗号。

  科研职员在有机玻璃球里注进透明的特制液体——液体闪灼体(简称“液闪”),傍边微子穿过球体时,会有必然的几率和液体里密布的氢核发生反映。每一次反映发生一个正电子和一个中子,正电子随即湮灭开释出一个快旌旗暗号,中子则在频频碰撞后被其他氢核接收并开释出一个慢旌旗暗号。一前一后两次闪灼,就透露了中微子的行踪。

  为了进步探测活络度,JUNO的选址颠末精心测算。尝试室建在地下,以屏障宇宙射线的干扰;间隔阳江核电站和台山核电站都是53公里,可以同时操纵两者开释的海量中微子,并画出更邃密的中微子能谱图。

  可是,较长的间隔也会造成中微子流的“稀释”,就比如放烟花,火花四散,越往外密度越低。JUNO比今朝世界上最年夜的中微子液闪探测器——日本的KamLAND探测器还要年夜20倍,后者注进了1000吨液闪,而JUNO要容纳两万吨液闪,才能尽可能多地“俘获”中微子。

  “探测器越年夜,捕获到的旌旗暗号就越多,数据量就越年夜,就越能看到别人所看不到的。”曹俊说。

  按照设计方案,JUNO会由265块有机玻璃板现场组装而成,并被钢架固定在一个装有约4万吨纯清水的年夜池中。

  这么年夜的玻璃球,给工程扶植带来了挑战。江门中微子尝试项目组先后请来几个着名力学团队帮手设计,并搭建了专门尝试室,测试有机玻璃的力学机能和老化环境,还造了一个直径3米的小球来验证计较和测试是否正确。

  “颠末尝试证实无误后,我们才把这套算法用来设计年夜的探测器。我们要确保它能运行30年。”曹俊说。

  为确保12层楼高峻球的设计平安无误,科研职员先造出直径3米的小球,进行模拟尝试。图为小球模子吊装。(中科院高能所供图)

  “捕捉”微光

  仅仅把探测器造很年夜,还不敷。中微子激发的闪灼很是微弱,肉眼无法看到。科研职员还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,才能让微光“显形”。

  液闪主体为烷基苯,是洗衣粉的原材料。“我们在南京找到了合适前提的厂家,出产出特制的液体,直接导进罐装车,运往南边的尝试室。”曹俊说。

  在注进玻璃球前,为了断根运输过程带来的污染,科研职员还要把液体又“洗”又“蒸”:用三氧化二铝过滤,吸附杂质;蒸馏,往除光学干扰和自然放射性;往液体里加两种发光物质,再用超纯水洗一遍;最后,进行蒸汽剥离和水萃取。

  “这可以说是世界上最透明的液体,何等微弱的光都可以透过。”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“捕捉”。这些光电倍增管就像一只只突出的眼睛,可以看到任何旌旗暗号微澜。

  科研职员正在测试光电倍增管机能。(中科院高能所供图)

  20英寸光电倍增管束造难度很年夜,此中15000个由国内研发出产。“最初,JUNO筹算全数从国外采购,但那时只有日本一家公司出产,光这一项就要破费整个项目40%的经费,并且旌旗暗号收集效率也达不到要求。于是,我们决议自立研发。”JUNO光电器件机能标定尝试室的朱瑶回忆说。

  从2009年景立至今,朱瑶地点的尝试室奋斗了10年,钻研出一套和国外产物完全分歧的手艺方案。

  “光子进进光电倍增管,会被转化成电子,颠末微通道板多次倍增后,一个电子可以酿成一万万个电子,旌旗暗号就被放年夜了。我们研发的微通道板,是将一根根直径约6微米、细如发丝的玻璃管挤压在一路,然后切片,不仅倍增结果好,收集效率高,还使出产本钱降低了一半。”朱瑶说。

  将来,这些被放年夜的光电旌旗暗号或许可以帮忙科学家解开一个主要的谜题——中微子的质量挨次,即三种中微子哪个最重。

  “中微子的质量挨次是天然界的根基参数之一,影响宇宙的演化历程。知道了质量挨次,可觉得其他研究展路。”曹俊说,“理论家一向试图成立总揽宇宙万物的年夜同一理论,质量挨次是检验这些理论是否正确的钥匙。”


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