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(jiǎn)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(lái)設(shè)計(jì)和建造了探測(cè)器的部件。通過(guò)提供對(duì)中微子一些最基本特性的首次精確測(cè)量結(jié)果，MINOS實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家們期待對(duì)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?cè)谝恍┫裾樟列求w聚變過(guò)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(yáng)產(chǎn)生的中微子能夠，通常的確穿過(guò)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(wàn)分之一。中微子總是從一種變?yōu)榱硗庖环N，然后又變回來(lái)。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(lái)。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(duì)中微子感興趣的中微子特性使得物理學(xué)家們難以對(duì)其進(jìn)行研究。如果它們穿過(guò)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(cè)到它們呢？

MINOS實(shí)驗(yàn)計(jì)劃制造很多的中微子，讓它們對(duì)準(zhǔn)一個(gè)大的探測(cè)器，在源和探測(cè)器之間有很長(zhǎng)的距離，使中微子有機(jī)會(huì)振蕩。

美國(guó)費(fèi)米國(guó)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(guò)位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的MINOS近程探測(cè)器，然后到450英里以外位于明尼蘇達(dá)州的遠(yuǎn)程探測(cè)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(cè)器記錄下來(lái)。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(lái)自6個(gè)國(guó)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(guó)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(dòng)最初5年運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)。阿貢國(guó)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室加工塑料閃爍探測(cè)器模塊的工廠，制造了多數(shù)接收和記錄來(lái)自費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室近程MINOS探測(cè)器信號(hào)的前端電子學(xué)，并在探測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)其中一個(gè)磁角進(jìn)行磁測(cè)。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(shuō)：“這將是在流強(qiáng)非常高的受控條件下所做的第一個(gè)長(zhǎng)基線中微子實(shí)驗(yàn)，所以我們實(shí)際上能夠精確測(cè)量這些振蕩參數(shù)。”

主注入器中微子（NuMI）

產(chǎn)生中微子是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室主注入中微子(NuMI)工程的任務(wù)。中微子產(chǎn)生的過(guò)程多數(shù)發(fā)生在一條新的一公里長(zhǎng)的隧道里（右圖），該隧道始于主注入器，一個(gè)大的粒子加速器，然后傾斜向北進(jìn)入地下。

中微子的產(chǎn)生始于質(zhì)子沿主注入器運(yùn)行時(shí)獲得能量。每個(gè)粒子的能量達(dá)到120 GEV的質(zhì)子束被從加速器引出，并被瞄準(zhǔn)石墨靶。

Ayres說(shuō)：“即使用費(fèi)米的標(biāo)準(zhǔn)衡量，這都是個(gè)流強(qiáng)非常高的束流。我們正采取非常嚴(yán)厲的措施來(lái)監(jiān)控作為產(chǎn)生中微子過(guò)程副產(chǎn)品而產(chǎn)生的放射性物質(zhì)?！?nbsp;

直徑1毫米的質(zhì)子束與長(zhǎng)約3英尺的石墨長(zhǎng)方形堆靶中的碳原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生次級(jí)粒子簇射。次級(jí)粒子束包括介子，由夸克和反夸克組成的粒子家族。束流被兩個(gè)磁角，喇叭形由200,000安培電流脈沖驅(qū)動(dòng)的金屬設(shè)備聚焦。靶和角之間的距離可像變焦距鏡頭改變，以便靶中形成的帶電粒子束能夠聚焦。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，這種設(shè)計(jì)可易于改變介子束的能量和產(chǎn)生的中微子束。

左圖為喇叭形NuMI束流磁聚焦系統(tǒng)，右圖為MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器

次級(jí)粒子進(jìn)入2000英尺長(zhǎng)的管道，在那里衰變成數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子和其他粒子。衰變管道在強(qiáng)子吸收體中結(jié)束。強(qiáng)子吸收體是個(gè)水冷卻阻止剩余質(zhì)子和介子的鋁鋼塊和混凝土堆，后面是240米未曾挖掘過(guò)吸收謬子的巖床。絕大多數(shù)中微子愉快地通過(guò)這些較小的障礙物。

謬子吸收體的后面是距地面300英尺的一個(gè)大的腔體，里面有MINOS近程探測(cè)器——一個(gè)小型號(hào)MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器。其980噸的鋼和閃爍體為從NuMI束流出現(xiàn)的未振蕩的中微子提供參考。通過(guò)近程探測(cè)器后，中微子束的直徑約為6英尺，并以3.3度角向北-西北方向前進(jìn)，進(jìn)入地球。通過(guò)堅(jiān)固巖石的450英里的路程花費(fèi)0.0025秒。 

MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器

明尼蘇達(dá)州的蘇丹（Soudan）是個(gè)小鎮(zhèn)，距 Boundary Waters Canoe Wilderness區(qū)幾英里，是地下半英里處已停止開采的鐵礦所在地。設(shè)施現(xiàn)在由明尼蘇達(dá)州作為蘇丹地下礦州立公園加以管理，需要在很深地下實(shí)驗(yàn)室防止實(shí)驗(yàn)受到對(duì)地球表面大量宇宙輻射的物理學(xué)家們，很容易來(lái)此處開展實(shí)驗(yàn)。

在蘇丹一個(gè)小山頂下約2,450英尺處，利用蘇丹礦歷史性的礦井和提升設(shè)備，為MINOS實(shí)驗(yàn)開挖了一個(gè)探測(cè)器大廳，長(zhǎng)度相當(dāng)一個(gè)足球場(chǎng)，高50英尺。MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器幾乎占了大廳的一大半。

探測(cè)器本身有6000噸重的八角形金屬板，厚1英寸，寬近30英尺。通過(guò)礦井，將每塊金屬板按27×6英尺的截面放入礦中，然后由工程師和技術(shù)員在地下進(jìn)行組裝和測(cè)試。每塊金屬板之間有一層窄條的透明塑料閃爍體。（左圖為龐大的中微子探測(cè)器）

每天數(shù)十億由NuMI產(chǎn)生的中微子通過(guò)MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器。其中，只有10個(gè)撞擊里面的原子核并被探測(cè)到。其余的穿過(guò)探測(cè)器而沒留下蹤跡，脫離靠近Boundary Waters的土地，繼續(xù)前進(jìn)，進(jìn)入空間。 

上圖為MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器的最新事例

塑料閃爍體中的粒子簇射

在其中一個(gè)鋼探測(cè)器平面中發(fā)生相互作用的每個(gè)中微子產(chǎn)生一個(gè)次級(jí)粒子簇射。次級(jí)粒子與塑料閃爍體中的原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生微弱的閃光。光電倍增管將光轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖被送到電子學(xué)組件，電子學(xué)組件對(duì)信號(hào)進(jìn)行解釋。來(lái)自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室方向的中微子被挑選出來(lái)以便做為進(jìn)行進(jìn)一步研究：有多少謬子中微子變?yōu)樘罩形⒆?？它們的軌跡揭示了有關(guān)振蕩機(jī)制的那些東西？來(lái)自其他方向的中微子可能來(lái)自宇宙線，也是物理學(xué)家們感興趣的。

對(duì)中微子物理的理解將有助于對(duì)超新星，即當(dāng)巨大星體用盡燃料并自我崩潰的巨大爆炸做出解釋。這些大的爆炸形成宇宙和形成星體和維持生命所需要的元素。從MINOS數(shù)據(jù)中可能會(huì)得到其他一些答案和發(fā)現(xiàn)一些新的問(wèn)題。

Ayres說(shuō)：“我們處于一個(gè)新的領(lǐng)域。向來(lái)還沒有人用這樣的束流或像這樣的探測(cè)器做過(guò)實(shí)驗(yàn)。我們對(duì)中微子振蕩進(jìn)行精確測(cè)量的努力有機(jī)會(huì)獲得一些完全出乎預(yù)料，甚至比我們確定研究的更為重要的東西。”

未來(lái)的方向

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高能物理部在設(shè)計(jì)新的更大探測(cè)器利用NuMI束流中起到關(guān)鍵作用。稱為NOvA的探測(cè)器是MINOS遠(yuǎn)程探測(cè)器的5倍。該探測(cè)器也放在明尼蘇達(dá)州北部，放在遠(yuǎn)離束流軸心一側(cè)幾英里的地方，那里中微子束流的能量分布更為狹窄。這就能夠大力尋找來(lái)自費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的謬子中微子振蕩產(chǎn)生的電子中微子。在阿貢實(shí)驗(yàn)室正在建造其中一個(gè)30,000噸PVC塑料和液體閃爍體平面樣機(jī)。如獲得經(jīng)費(fèi)，新的探測(cè)器將用大約4年時(shí)間建成。 

NovA探測(cè)器結(jié)構(gòu)略圖顯示132米長(zhǎng)的探測(cè)器分為32個(gè)平面塊。正視平面的局部剖視圖顯示交替層的水平和垂直擠壓模塊

阿貢實(shí)驗(yàn)室的高能物理部還計(jì)劃搞一些新的實(shí)驗(yàn)，利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子研究電子中微子振蕩，希望找到最后剩下的中微子振蕩之迷，以便將來(lái)研究中微子中的CP對(duì)稱破壞。

高能所科研處制作，內(nèi)容由侯儒成譯自ANL網(wǎng)站