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
掌握要点:为何原始宇宙中的物质多于反物质?

解析奇点与暗物质:物质和反物质在宇宙早期的对比研究

掌握要点:为何原始宇宙中的物质多于反物质? 解析奇点与暗物质:物质和反物质在宇宙早期的对比研究

科学家们发现在约138亿年前,宇宙的中心产生了反物质,但是由于宇宙诞生初期能量转化过程中的正反物质失衡,使得反物质消失,至今无法找到其踪迹。近期一项名为“中微子振荡”的发现,可能揭示了反物质为何消失的原因。据研究,基本粒子中存在电荷相反的“反粒子”,如电子和正电子。其中,电子有负电荷,其反粒子则有正电荷;而反中子也是由反夸克构成,其电荷为零。因此,由反粒子构成的物质就是“反物质”。研究人员发现反质子和反中子的存在,从而证实了能量可以通过转化转变为质量,进一步发展了物理学理论。

生活常识 10.01
2024年未来科学大奖获奖工作介绍:探索未知世界,你准备好了吗?

2024年未来科学大奖获奖工作介绍:探索未知世界,你准备好了吗?

2024未来科学大奖颁奖典礼的概况: - 该活动于香港会议展览中心举行。 - 邓宏魁、张涛、李亚栋分别获得了生命科学奖、物质科学奖和数学与计算机科学奖。 - 邓宏魁因其对体细胞重编程为多能干细胞的创新工作获此奖项。 - 张涛、李亚栋因对单原子催化发展的贡献而获奖。 - 孙斌勇因为在李群表示论领域的成就获奖。 - 未来科学大奖致力于表彰在中国内地、香港、澳门、台湾做出杰出科学成果的科学家。 总结: 邓宏魁以开创化学方法将体细胞重编程为多能干细胞而荣获生命科学奖;张涛、李亚栋则因为对单原子催化的贡献而获得物质科学奖;孙斌勇在李群表示论上作出的杰出贡献赢得了数学与计算机科学奖。所有这些都显示出他们在各自的领域内的卓越成就。

生活常识 11.10
公平的机器翻译技术:揭开性别歧视现象,消除偏见的工具

公平的机器翻译技术:揭开性别歧视现象,消除偏见的工具

"女人在计算机科学方面做了很好的研究。" 这句话的概括是: FairMT 新方法旨在检测机器翻译系统中的性别偏见,并将偏见反馈给开发者以帮助修复这一问题。该方法由中国科学院软件研究所联合北京大学、新加坡国立大学和伦敦国王学院开发。它使用变异测试方法,如模板化方式变更与公平性相关的词汇,来评估翻译结果的公平性。 详细信息如下: 全文:全文1698字,阅读约需5分钟。 关键词: FairMT, 机器翻译系统, 性别偏见, 变异测试, 开发者 总结要点: FairMT 方法能检测并修复机器翻译系统中的偏见,提高翻译质量。 相关研究: - 由中国科学院软件研究所联合北京大学、新加坡国立大学和伦敦国王学院开发。 - 广泛应用于谷歌翻译等主流机器翻译工具。 - 研究表明,不同机器翻译系统在处理性别信息时可能存在明显的歧视性偏见。

生活常识 11.10
铁螯合剂去铁酮治疗阿尔茨海默病效果争议,临床观察结果值得深思

铁螯合剂去铁酮治疗阿尔茨海默病效果争议,临床观察结果值得深思

去铁酮治疗可能无法有效延缓AD的认知衰退;大脑海马体的铁含量可能影响认知功能;药物使用可能存在反作用。相关研究发表于《JAMA·神经病学》。研究指出铁在大脑中的作用复杂,单一降低脑铁水平可能无效。作者建议结合其他治疗方法来管理AD。

生活常识 11.10
湖北省地球科学基础学科研究中心盛大启用:引领地质研究新纪元

湖北省地球科学基础学科研究中心盛大启用:引领地质研究新纪元

湖北省启动“地学中心”,以长江流域及周缘为主要研究基地,涉及浅表过程、宜居地球等多个深度地球科学方向,并以地球系统科学为主导,推动其发展与区域经济社会的进步。 (记者 张歆 通讯员 殷茵 孙彦钦 宋虎跃)

生活常识 11.10
150家上海家长学校街道(镇)工作站成功设立,全面覆盖全城教育系统

150家上海家长学校街道(镇)工作站成功设立,全面覆盖全城教育系统

上海家长学校启动15分钟家庭教育服务圈建设项目,旨在解决家庭教育“最后一公里”的问题,覆盖全市各个街区,提升家庭教育水平。

生活常识 11.10
昆明西山区全面启动未成年人‘法律生日’制度,借法治力量保障孩子们的健康成长

昆明西山区全面启动未成年人‘法律生日’制度,借法治力量保障孩子们的健康成长

昆明西山区建立未成年人“法律生日”制度,用法治力量护航孩子健康成长,标志着云南省在加强对未成年人权益保护方面的决心。该制度通过普及法律知识、举办相关活动等方式,引导青少年正确面对生活中的各种问题,从而实现健康成长。这一做法受到了家长们的一致好评,认为能让孩子们更好地了解自己的权利并承担相应的法律责任。

生活常识 11.10
家长体验:参观学校食堂开放日,全方位了解孩子们的日常饮食情况

家长体验:参观学校食堂开放日,全方位了解孩子们的日常饮食情况

西充县惜字塔小学开展食堂家长开放日活动,家长实地查看学生用餐环境并提出建议;成立第一届膳食管理委员会,加强与家长的沟通与合作。县市监局等联合部门严控校园食品安全,全面提升学校食堂管理人员的食品安全知识水平和综合能力。

生活常识 11.10
常熟市衡山社区:开启父母课堂,让我们与孩子一同探索新知的世界

常熟市衡山社区:开启父母课堂,让我们与孩子一同探索新知的世界

近日,常熟市琴川街道衡山社区举办了一场“蹲下来和孩子一起看世界”的父母课堂活动。此次活动旨在促进家长与孩子之间的沟通与理解,通过亲身体验孩子们的世界,让家长更好地了解孩子的需求和成长过程。“蹲下来”不仅是一种形式上的尊重,更是为了与孩子保持相同的视角,观察那些成年人常常忽略的细节。通过这样的方式,家长们能够更深入地理解孩子的想法和感受,从而建立起更加紧密和融洽的亲子关系。志愿者在课堂上分享了如何与孩子有效沟通、如何引导孩子健康成长等方面的实用技巧和建议,让家长们更加理解了孩子的内心世界和成长需求。此次活动结束时,家长们纷纷表示受益匪浅,他们表示,通过这次活动,让他们更加了解孩子的需求和成长过程,也学会了如何与孩子更好地沟通和交流。一位前来参加活动的妈妈说:“感谢社区组织的这次活动,让我们有机会和孩子一起学习和成长。”此次“蹲下来和孩子一起看世界”父母课堂不仅增进了家长与孩子之间的亲子关系,还提高了家长们的育儿水平和意识。通过独特的视角转换,让每一位家长都能以孩子的眼光看待世界,共同绘制一幅幅温馨和谐的亲子画卷。扬子晚报/紫牛新闻记者 周晓青校对 盛媛媛.rich_media_content{--news-tabel-th-night-color: #444444;--news-font-day-color: #333;--news-font-night-color: #d9d9d9;--news-bottom-distance: 22px};

生活常识 11.10
丰富生物医药资源助力进博会上多项合作达成,涉及乙肝与女性健康多个领域

丰富生物医药资源助力进博会上多项合作达成,涉及乙肝与女性健康多个领域

第五届中国国际进口博览会期间,生物医药产业发展多项合作达成,多项努力助各国消除乙肝、麻风等疾患目标。葛兰素史克与中国肝炎防治基金会签署战略合作备忘录,支持慢性乙型肝炎患者疾病全程管理,优化疫苗技术和政策,有效减少病情恶化风险。

生活常识 11.10
关于剧烈运动与抑制食欲的研究趋势及可能影响

关于剧烈运动与抑制食欲的研究趋势及可能影响

一项小规模研究表明,剧烈运动能有效抑制健康成年人的饥饿感,尤其是女性,可能会在运动后感到“不那么饿”。通过随机招募8名男性和6名女性参加实验,研究发现,女性在剧烈运动后的AG和DAG水平均出现显著降低。然而,鉴于现有数据缺乏,仍需进一步研究以确定运动抑制食欲程度。运动应被视为“药物”,可按个人需求量身定制。

生活常识 11.10