地下物理實(shí)驗(yàn):在地下深處尋找中微子
被稱為主注入器中微子振蕩搜尋(Main Injector Neutrino Oscillation Search,簡稱MINOS)的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)新的物理實(shí)驗(yàn),它將數(shù)千噸的鋼——一個(gè)大的粒子加速器和40英里的堅(jiān)固巖石組合在一起,以揭示一種有時(shí)似乎不存在的粒子的秘密。該實(shí)驗(yàn)開始于二十世紀(jì)八十年代,后來設(shè)計(jì)和建造了探測器的部件。通過提供對中微子一些最基本特性的首次精確測量結(jié)果,MINOS實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家們期待對這些粒子在形成宇宙時(shí)所起的作用獲得新的見解。
中微子沒有電荷。它們在一些像照亮星體聚變過程中發(fā)生的那些核反應(yīng)中大量產(chǎn)生。但中微子很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。太陽產(chǎn)生的中微子能夠,通常的確穿過整個(gè)地球而沒有與一個(gè)單個(gè)的原子發(fā)生相互作用。
中微子有三種:電子中微子、謬子中微子和陶中微子。最重的中微子重量可小到電子質(zhì)量的千萬分之一。中微子總是從一種變?yōu)榱硗庖环N,然后又變回來。每個(gè)中微子實(shí)際上是三種類型或味的量子—機(jī)械混合。隨著時(shí)間的推移,伴隨不同味的量子波走亂步伐,電子中微子似乎變成為謬子中微子或陶中微子,然后變回來。這個(gè)振蕩提供粒子實(shí)際具有明顯的非零質(zhì)量的最佳證據(jù)。
但正是使物理學(xué)家們對中微子感興趣的中微子特性使得物理學(xué)家們難以對其進(jìn)行研究。如果它們穿過整個(gè)地球而不與任何東西發(fā)生相互作用,怎么才能觀測到它們呢?
MINOS實(shí)驗(yàn)計(jì)劃制造很多的中微子,讓它們對準(zhǔn)一個(gè)大的探測器,在源和探測器之間有很長的距離,使中微子有機(jī)會振蕩。
美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室專建的一條束線產(chǎn)生幾乎全是謬子中微子的束流,它穿過位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的MINOS近程探測器,然后到450英里以外位于明尼蘇達(dá)州的遠(yuǎn)程探測器。所走的大部分路程是在威斯康星州地下深10公里處。在路途中一些粒子變?yōu)樘罩形⒆?,少?shù)被探測器記錄下來。數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)變化機(jī)制,更好地估計(jì)每種類型中微子的質(zhì)量和更多類型的中微子。
 

MINOS實(shí)驗(yàn)設(shè)施由來自6個(gè)國家的30多個(gè)研究所、大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)組成的合作組建造。費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室起關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)設(shè)施的建造于2005年初完成,現(xiàn)正啟動最初5年運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)。阿貢國家實(shí)驗(yàn)室高能物理部建立了在加州理工學(xué)院、明尼蘇達(dá)大學(xué)和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室加工塑料閃爍探測器模塊的工廠,制造了多數(shù)接收和記錄來自費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室近程MINOS探測器信號的前端電子學(xué),并在探測器的安裝和調(diào)試中發(fā)揮了重要作用。
 
左圖為物理學(xué)家Tacy Joffe-Minor展示其中一個(gè)最小探測器部件中的閃爍光釬。阿貢實(shí)驗(yàn)室高能物理部發(fā)明了許多制造插在構(gòu)成遠(yuǎn)程和近程探測器的塑料和光釬模塊的制造技術(shù)。右圖為磁變焦透鏡–阿貢物理學(xué)家Bob Wagner對其中一個(gè)磁角進(jìn)行磁測。磁角像個(gè)變焦透鏡,能夠?qū)①M(fèi)米實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的帶電粒子束聚焦。
領(lǐng)導(dǎo)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室MINOS實(shí)驗(yàn)組的David Ayres說:“這將是在流強(qiáng)非常高的受控條件下所做的第一個(gè)長基線中微子實(shí)驗(yàn),所以我們實(shí)際上能夠精確測量這些振蕩參數(shù)?!?/SPAN> |