中国首次成功探测宇宙暗物质,解开了宇宙之谜。

2024-03-23 生活常识 关注公众号
江门地下中微子实验基地预计将在今年启动,以确定哪种类型的中微子质量最大。这将是物理学的一个重大问题,并且将使JUNO成为全球目前最新的在建中的几个中微子探测器中首个正式“开工”的探测器。此外,还有一个目标是在两年内从两个已知的中微子源收集数据。该实验旨在确定质量和最小的中微子,这是物理学中最大的未解谜之一。其方法与日本的“顶级神冈”和美国的“深地下中微子实验”不同,使用的是纯水作为探测介质。

原文:Gemma Conroy

江门地下中微子实验基地拟于今年开始运行,将帮助确定哪类中微子的质量最大,这也是物理学的最大问题之一。

正在加紧建造的中国江门地下中微子实验基地(JUNO)。JUNO计划在2024年底前开始探测中微子。来源:Qiu Xinsheng/VCG via Getty

开平,中国

在中国东南部的开平市,连绵青山下的700米处,工程人员正在抓紧建设一个直径35米的球形探测器,该探测器将以超高精度探测中微子这种“幽灵般”的亚原子粒子。江门中微子实验基地(JUNO)的现场经理、中国科学院高能物理研究所物理学家衡月昆表示,如果一切顺利,造价3.76亿美元的江门地下中微子实验基地将于年底前开始探测。

这将使之成为全球目前最新在建的几个中微子探测器中首个正式“开工”的探测器。另外两个在建的探测器位于日本和美国,将分别于2027年和2031年开始采集数据。

JUNO的主要目标是确定质量最大和最小的中微子,这是物理学中最大的待解谜题之一。回答这个问题或让物理学家理解中微子到底是什么,以及为何它们的质量如此之小。为此,JUNO研究人员的一个目标是测量来自两个核电站的中微子——这两个核电站各距离该探测器50多公里。JUNO的另一个目标是研究其他来源的中微子流,包括来自太阳、大气层、爆炸恒星和地球内部放射性自然衰变过程的中微子。

3月7日,实验站的研究人员开始向缩小版的探测器注入液体闪烁体——液体闪烁体中混合了溶剂和有机化学物质,当有中微子穿过时会发光。这个模型将测试液体闪烁体的纯净度是否足以帮助研究人员回答质量排序问题。

JUNO的方法与其他在建的探测器不同。日本在建的“顶级神冈”(Hyper-Kamiokande)探测器将使用纯净水作为中微子探测介质,而美国的“深地下中微子实验”(Deep Underground Neutrino Experiment)将使用液氩测量这种“神出鬼没”的粒子,美国实验项目的共同发言人、布鲁克海文国家实验室物理学家Mary Bishai说道。这两个未来的探测器都将测量从邻近粒子加速器发出而不是核反应堆发出的中微子。

就像用不同波长观测宇宙的望远镜一样,各个中微子探测器用不同技术来观测不同来源(如太阳和核电站)的中微子,研究人员就能更好地了解中微子的特性,以及中微子在宇宙中的作用,Bishai说:“这是种独特的方式,来确保我们的信息是一致。”

这种液体闪烁体只能含有微量的铀和钍——这些放射性元素衰变时如果碰巧遇到其他信号就会模拟中微子事件,破坏实验结果。如果这些元素的含量过高,就很难达到回答质量排序问题所需的测量灵敏度,JUNO团队成员、意大利帕多瓦大学的物理学家Alberto Garfagnini说。因此,团队必须先在缩小版的探测器中测试液体闪烁体的放射性纯度,才能注入旁边名为OSIRIS的JUNO主探测器。这一步不能出错,因为一旦JUNO里注满2万吨闪烁体后就不能重头再来了。Garfagnini说:“闪烁体必须一开始就很纯。”

光电倍增管将探测中微子与物质相互作用时发出的能量闪光。来源:中国科学院高能物理研究所

幽灵粒子

观测中微子听起来挺简单,毕竟它们是宇宙中含量最丰富的带质量粒子,每一秒地球上每立方厘米内都有数十亿个中微子穿过。但它们的特性仍不为所知,因为大部分中微子在穿过宇宙时几乎不与任何物质作用,所以直接探测非常难。不过,中微子或许暗藏着宇宙演化的线索,Garfagnini说:“它们是宇宙学的一个重要组成。”

物理学家已知中微子有三种“味”(flavours):电子、μ子和τ子(分别以它们伴随产生的基本粒子命名)。20多年前,日本的“超级神冈”(Super-Kamiokande)实验和加拿大的萨德伯利中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory)发现,中微子移动时会从一种味切换成另一种味[1,2],而物理学家只能用中微子有质量来解释这种现象。2012年,位于中国深圳近郊的大亚湾反应堆中微子实验精确测量到了描述中微子在不同味之间切换速度的一个参数[3]

中微子有三个质量本征态——

ν

1、ν

2、ν

3

——每个味都混合了这三种态。物理学家已经推导出

ν

2质量比

ν

1稍大,并且

ν

3和

ν

1、ν

2的差异较大。但他们还没有搞清楚

ν

3究竟是比另外两个更重还是更轻。这个质量排序的问题一直困扰着物理学界,因为它要求探测器离我们很了解的中微子源足够近,而且探测器要更大、更灵敏,Bishai说:“你必须在那个甜蜜点上,才能观测到你想观测的效应。”

主探测器表面有4万多个探测中微子的光电倍增管。来源:中国科学院高能物理研究所

巨型球体

JUNO位于一座花岗岩山丘下,这个山丘能屏蔽宇宙射线——来自宇宙的带电粒子,能淹没微弱的中微子信号。每天,穿着荧光背心的研究人员和工程人员都要乘坐15分钟的轨道车,沿1300米长的斜井隧道深入地下,在一个温控的原始岩洞中建造这个探测器。这个已完工2/3的丙烯酸球体很快将淹没入3.5万吨的超纯净水中,这能进一步帮探测器挡掉背景辐射。一旦液体闪烁体通过了放射性纯度测试,就将注入主探测器。衡月昆说,整个过程需要6个月。

保护好JUNO的灵敏度并不容易。2015年开建时,团队曾希望能在3年内完工,但抽排大量地下水的任务出现了延期。衡月昆说:“水成了个大问题。”为此,团队安装了一套能每小时从蛇形地下隧道抽出500立方米水的系统。为了控制氡的含量——氡是花岗岩等岩石天然释放的放射性气体,会干扰灵敏度很高的中微子实验——这个巨大的设施到处都是嗡嗡的圆柱形风扇。

探测器选址难就难在地面上。JUNO坐落于两个核电站之间,距离每个核电站53公里,两个核电站将为探测器稳定提供电子反中微子——电子反中微子和中微子的质量一样。衡月昆说,两个核电站产生的这些粒子的数量足够多,可以达到质量排序需要的测量精度。

中微子无法被直接探测到,为了确定它们的质量,物理学家只能测量中微子很偶尔与物质相互作用下产生的其他粒子的能量。在JUNO这里,当一个电子反中微子在液体闪烁体中遇到一个质子时,这种相互作用就会产生一个正电子和一个中子,这个过程名为反β衰变。来自正电子的能量会产生闪光,而中子被质子捕获时会产生另一束光。这些闪光信号——相隔200微秒——将被球体表面的4万多个球形光电倍增管探测到。研究人员能通过这些闪光的时间差把中微子和混乱的背景信号区分开来,Garfagnini说,“这是很明确的特征。”团队希望能在接下来的6年里探测到10万个中微子。

它的规模、屏蔽环境,以及靠近核电站的选址,将使它成为全世界最灵敏的中微子探测器之一,澳大利亚墨尔本大学物理学家Geoffrey Taylor说,这让它有很大机会在其他实验站运行前解决中微子的质量排序问题,“现在看来它要赢了。

参考文献:

1.Fukuda, Y.

et al. Phys. Rev. Lett. 81, 1562–1567 (1998).

2.Ahmad, Q. R. 

et al. Phys. Rev. Lett. 87, 071301 (2001).

3.An, F. P. 

et al. Phys. Rev. Lett. 108, 17803 (2012).

原文以

China’s giant underground neutrino lab prepares to probe cosmic mysteries标题发表在2024年3月15日《自然》的

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PandaX暗物质实验首席科学家刘江来:我们对宇宙知之甚少,探索永无止境

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第十二届腾讯科学WE大会于11月4日在成都举行,吸引了五位世界顶级科学家进行分享与探讨。这些科学家从微观量子世界、时空“涟漪”引力波、宇宙“幽灵”暗物质、大脑“GPS”网格细胞、人体器官芯片等领域进行了深入分享。刘江来教授分享了暗物质的最新研究成果,并提出捕捉暗物质粒子是人类认识宇宙的重大突破。在未来,他期待暗物质探测能迎来“转折点”。

生活常识 11.05
详解暗物质与未来的宇宙预测: 预测科技巨头刘江来发表演讲

2024腾讯科学WE大会邀请解析暗物质:探索未知领域,也许未来能成为宇宙天气预报

从暗物质到宇宙天气预报的未来展望: 高科技巨头刘江来发表演讲

掌握暗物质之谜,洞悉未来宇宙预测: 来自知名科学家刘江来的深度见解

详解暗物质与未来的宇宙预测: 预测科技巨头刘江来发表演讲 2024腾讯科学WE大会邀请解析暗物质:探索未知领域,也许未来能成为宇宙天气预报 从暗物质到宇宙天气预报的未来展望: 高科技巨头刘江来发表演讲 掌握暗物质之谜,洞悉未来宇宙预测: 来自知名科学家刘江来的深度见解

百度云:知乎:https://www.zhihu.com/question/27285639/answer/21290048?to=696112381

生活常识 11.03
探索宇宙与暗物质:寻找千年的大象——《周末赠书》系列

探索宇宙与暗物质:寻找千年的大象——《周末赠书》系列

汤沸腾一样。这样的研究有助于解释宇宙微波背景辐射的特性,以及它如何与我们的观测数据相吻合。最终,皮布尔斯的研究成果发表在他的论文《热等离子体与星系微波背景辐射》中,该文章详细阐述了这种现象的本质,并指出这种辐射可能来源于人类尚未涉足的新领域——新兴宇宙学。然而,值得注意的是,皮布尔斯并未直接因此获得诺贝尔物理学奖。实际上,他的贡献在60年代就已经获得了认可。人们注意到他在冷暗物质理论中的开创性工作,特别是他对大型多涡旋天体的研究。这些研究成果为现代宇宙学奠定了基石,并为后来的科学家们提供了丰富的理论材料。尽管如此,皮布尔斯还是凭借他的不懈努力和卓越的研究才能赢得了诺贝尔物理学奖。

生活常识 11.16
左右手臂血压检测的准确度:以哪个为准?记住这个原则

左右手臂血压检测的准确度:以哪个为准?记住这个原则

该文本主要涉及两方面内容,一是关于血压检测的问题,二是关于左手臂血压异常的一些建议。主要内容可以概括为:“测血压时要注意左右臂的血压差别,如大于10mmHg,需就医确认病因。”

生活常识 11.23
长时间未见的海天奇观:揭秘引发海洋多年罕见景象的关键因素

长时间未见的海天奇观:揭秘引发海洋多年罕见景象的关键因素

广东、广西、海南、香港等多地发生海水倒灌事件,导致地面低洼地带需涉水行走,部分民居成为“海景房”,车辆被腐蚀。这是由于今年第24号台风“万宜”和冷空气的影响所致。政府建立和完善监测预警体系,加强堤防提标工作,加固防御海水倒灌的第一道防线。此次事件提醒人们应对台风、风暴潮等极端天气保持警惕。

生活常识 11.23
两国大熊猫提前8年完成繁育任务:中国旅芬大熊猫回家的故事

两国大熊猫提前8年完成繁育任务:中国旅芬大熊猫回家的故事

中芬双方达成协议,将在年内将旅芬大熊猫“华豹”“金宝宝”提前归国。中国已派出航班及饲养员前往芬兰接回2只熊猫。

生活常识 11.23
古代葬礼上的神秘药草:千年谜团揭开,他们为何服食药物以减轻疲劳?

古代葬礼上的神秘药草:千年谜团揭开,他们为何服食药物以减轻疲劳?

摩洛哥东北部鸽子洞发现的来自灌木属麻黄的浆果状球果中含有麻黄碱,一种能加速大脑和身体之间交流的强效兴奋剂。研究认为它们可能是当时石器时代的居民广泛使用的草药。麻黄碱的长期使用可能会导致癫痫发作。该发现揭示了植物在旧石器时代生活中的重要性,远早于农业文明出现之前。此外,麻黄碱还曾被用于治疗感冒和减少某些类型的出血。

生活常识 11.23
深度解析:从8大方式提升孩子的学习力 - 自然赋予的启示

深度解析:从8大方式提升孩子的学习力 - 自然赋予的启示

力症状。”这个现象让我深感震惊,同时也引发了我对如何在忙碌的工作之余带孩子接触大自然的重新思考。 这段文字主要讲述了主人公在工作之余喜欢来到大自然中散步,欣赏大自然的美景,并将这种行为视为放松心情的方式。尽管这种做法可能对身体有一些好处,但它也可能让人们过于依赖大自然,忽视了其他生活的重要部分。同时,主人公的母亲出生于一个贫困的农村,小时候的生活让她对大自然有着浓厚的兴趣和向往,这在作者身上得到了体现。

生活常识 11.23
孩子们的问题,家长的答案:如何有效地与在线教育互动

孩子们的问题,家长的答案:如何有效地与在线教育互动

合肥市建平实验小学南艳分校开展了一场亲子默契测试活动,以考验父母对于孩子的理解和支持。活动现场,二年级(9)班通过创意的提示卡让学生自主找座位,并通过游戏规则引导家长寻找,家长们在互动中展现出了亲子间的默契与信任。通过此次活动,大多数家长都能准确地找到自己的孩子所在位置,充分体现了家庭教育的重要性。

生活常识 11.23
育儿小贴士:给孩子感冒了该吃什么?快速缓解咳嗽症状

育儿小贴士:给孩子感冒了该吃什么?快速缓解咳嗽症状

咳嗽是身体清除炎症分泌物和排除呼吸道里病原体的重要方式,但需警惕可能由哮喘、肺炎、气管异物等疾病引起。要判断咳嗽是否为必要就医项,则需要具备辨别能力,了解医生开具药物的原因。医生并非不可靠,可通过阅读相关科普文章、向医生询问等方式提高判断力。当前情况下,应尽量了解自身健康状况,增强判断能力。

生活常识 11.23
全球首例!「盐酸佐利替尼」肺癌脑转移治疗药物在中国获得批准上市!

全球首例!「盐酸佐利替尼」肺癌脑转移治疗药物在中国获得批准上市!

盐酸佐利替尼是基于表皮生长因子受体19号外显子缺失或21号外显子L858R突变的非小细胞肺癌新药,旨在用于脑转移病灶的治疗,并已在中国国家药品监督管理局获准上市。 2022年,晨泰医药宣布国际多中心2/3期临床研究项目EVEREST完成所有受试者访视,结果显示佐利替尼在治疗脑转移病灶和提高整体疗效方面表现出显著优势。2017年,晨泰医药与阿斯利康达成合作协议,共同开发针对肺癌脑转移的创新药物佐利替尼。

生活常识 11.23
案例分享:当班护士因误操作,医院赔偿50万!

一级甲等医疗事故真相曝光:延误治疗导致巨额赔偿!

案例分享:当班护士因误操作,医院赔偿50万! 一级甲等医疗事故真相曝光:延误治疗导致巨额赔偿!

病房环境等因素来定,不应过于严格或宽松。同时,护士在巡视过程中应注重沟通交流,以便及时发现并解决问题。医疗机构在保障患者权益的同时,也要加强内部管理,确保医护人员的专业素养和职业操守,以防止类似事件的发生。

生活常识 11.23
旺仔牛奶异物检测结果曝光:厂家已取走,具体情况我们将会跟进

旺仔牛奶异物检测结果曝光:厂家已取走,具体情况我们将会跟进

近日,有人在旺仔牛奶中发现黑色异物,怀疑是老鼠。南都记者和旺旺集团首席营运官均对事件进行了回应,称消费者可以提出索赔,并表示已经采取措施防止类似情况再次发生。

生活常识 11.23