反中微子天文学和地球物理学

如果梦想在天上和地球上得到更多的东西,单单靠电磁探测是不充分的。对于那些视觉上是模糊的源,或者它们发射的能量主要不是以光子形式时,必须发展新的探测方法。这曾经推动了中微子天文学的发展,代表性的就是太阳内部发射中微子的探测。我们虽然已经认识到利用弱相互作用来探测天体物理各种源的有用性,但是反中微子探测的潜力尚没有广泛的探索过,本文的目的就是探索反中微子的探测。     

探测低能量太阳中微子的低温两相电子泡探测器

提出并设计了一种新型的低温两相中微子探测器, 它利用电子泡在液氦池中特殊的传输特性, 实时、高效地测量了来自太阳质子-质子反应产生的低能量中微子. 该电子泡探测器的工作原理类似于时间投影室, 当入射中微子进入到探测介质液氦池中后, 与氦原子发生作用, 会激发弹性散射电子, 通过测量这些散射电子的能量及轨迹并与放射性背景信号分开, 就可以反推出入射中微子的能量和其他性质. 由于散射电子的信号很弱, 因此使用位于液面上方饱和蒸汽区的气体电子倍增器放大电子信号. 这种技术的突出优点是具有极高的空间分辨率和很好地抑制电离信号反馈的功能. 基于气体电子倍增器读取电信号和高精度CCD相机以进行探测光信号的新型时间投影室的研究, 目的是建造一个三维的空间分辨率为几个毫米量级的大型液氦低温探测器, 以探测能量低至100~200 keV的太阳中微子.     

“失踪的”太阳中微子之谜

50年前,H. Bethe首次提出了核反应提供太阳和其他星球辐射的能量的理论。但至今有关“失踪的”太阳中微子仍然是一个谜。新近,Bethe发展了由两位苏联物理学家提出的一种新概念:当中微子通过太阳体时由一种类型转变为另一种类型,从而为解这个谜开辟了新的途径。Bethe提出,氢核聚变成氦是太阳和其他较冷星球中产生能量的基本反应。此理论正好符合于观测结果,但有一个问题除外:即在此种核反应中应放出中微子,而地球应沐浴在这种太阳中微子流之中。R. Davis在南达科他州Homestake金矿中探测     

GALLEX终于产生了中微子

虽然,中微子被列在最难探测到的基本粒子之中,但是,在了解太阳如何利用它的核燃料产生能量这一问题上,中微子提供了独一无二的窗口。在太阳核心中,氢和其它原子核发生聚变的每一阶段都产生中微子,同时,数以亿兆计的、幽灵般的中微子流毫无阻挡地直接射向地球。     

高能宇宙中微子的声探测

中微子在基本粒子家族中素有鬼魂粒子之称.它静止质量等于零,不带电荷,以光速运动,几乎不与任何物质发生相互作用.虽然它与质子、光子、电子并列为稳态粒子,但要直接探测它是不可能的. 1956年美国物理学家科温(L.Cowan)和雷恩(F.Reine)在新墨西哥州利用一台早年研制原子弹后废弃不用的反应堆作为反中微子源(中子衰变后产生,即n→p~ e~- (?)),估计每秒可产生10~(18)个(?)(反中微子),通过常年记录(?) p→n e~ , e~ e~-→rr反应中产生的光子辐射证实了确有(?)存在.自此以后,中微子探测,特别是太阳中微子和宇宙中微子探测便一直研究不断.近年来,随着高能天体物理研究的进展,人们并始酝酿打开中微子的天文观察窗口.因为,中微子不象光子,它不受磁场影响,也不会被散布在空间的宇宙尘埃及星光所散射,能穿透致密星体,因此,它可能带来远古宇宙纪元的信息,是理想的宇宙信使.(据估计,10~(14)eV光子一光子散射的结果,距离达10~7     

太阳中微子失踪案仍疑云密布

在今年6月于西班牙格拉纳达召开的国际中微子会议上,“镓莱赫”(GALLEX)小组公布了他们对太阳中微子探测的初步实验结果,引起大会轰动。有人惊奇,有人兴奋,有人狼狈,也有人迷惘。太阳中微子失踪案提出至今已有20年了。20年前,雷·戴维斯及其同事公布了他们在美     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

中微子检测技术的新发展

数十年来,世界各地的科学家们一直在研究中微子以及太阳和其它星星射出的难以捉摸的亚原子微粒。虽然最终找到了它们,但问题在于仍然没有发现太阳中微子,而它们通过解释太阳内部原子核反应的理论预测到,这些没有捕捉到的太阳中微子依然是物理学中最令人困惑的问题之一。东京大学宇宙射线研究学院的研究人员期望有一种比较先进的中微子检测器能澄清这个秘密。他们计     

北半球最大深水中微子望远镜启用

近日,俄罗斯在贝加尔湖中启用北半球最大的深水中微子望远镜"Baikal-GVD",用于记录来自天体的超高能中微子流,研究地球物理学、水文学和淡水生物学现象,探索宇宙的产生和进化过程. 中微子望远镜就是一种可以测量来自宇宙深处、数量相当稀少的超高能中微子,并可以确定它们所对应的天体源的方位的超大型探测装置.为了避免其他信号的干扰,它通常被安置在冰层深处或海底和湖底."Baikal-GVD"于2015年开始,由捷克、德国、波兰、俄罗斯和斯洛伐克的科学家合作建造.该浮动天文台由数百个玻璃和不锈钢制成的球形模块组成,单个模块为1立方米大小,这些模块通过一组电缆相连,目前占用的体积为500立方米.     

太阳中微子振荡的非绝热效应

近来,MSW机制被建议用来解决太阳中微子之谜。根据这个机制,物质中的电子对电子中微子v_e和μ子中微子v_μ的作用的不等价性导致了真空中微子振荡方程的修正。修正后的振荡方程是     

宇宙中微子的探测和中微子星

我们在前文中,指出中微子有可能占宇宙质量的99％,而重子仅占1％。这些中微子将使宇宙封闭。显然,如何在宇宙中探测出这些可能大量存在的背景中微子,将是一个重要问题。     

地球中微子:来自地球深部的信使

中微子是构成物质世界最基本的单元之一,在自然界广泛存在.正在建设的江门中微子实验站(JUNO)是我国第二个大型国际领先的中微子实验站.地球中微子(geo-neutrino)是地球内部天然放射性元素(主要是~(238)U,~(232)Th和~(40)K三种同位素)衰变产生的反电子中微子.它们在衰变过程中也同时释放出大量热能,是驱动地球演化的主要地热能来源之一.地球中微子的通量和产生的热能成固定比例.因此,测量地球中微子的通量,可以获得放射性元素分布及其对地热能的贡献.江门中微子实验站的探测器质量为2万吨,运行一年所获取的地球中微子事例数达到400个以上,超过全球已有地球中微子探测器10年所探测事例的总和.江门中微子实验站周围500 km以内贡献50%以上的地球中微子事例数,利用地球科学手段可合理、有效估算实验站周围及邻区地壳的贡献,实验站测量总数减去地壳贡献,可得到地幔的贡献.因此,有效充分利用实验站可望帮助解决放射性元素衰变对地热能的贡献、测量Th/U比值和来自地幔的放射性地热等问题,并推动国内中微子地球科学研究的交叉领域发展.本文首先介绍了地球内部有关热量未解决的科学问题及地球中微子可能的贡献,其次介绍了地球中微子研究的国内外现状及精确地壳结构模型研究的重要意义,随后着重介绍了江门中微子实验的地球中微子探测潜力及其独特的地理位置和探测优势对地球科学研究的意义,最后给出总结和展望.     

难以捉摸的粒子

几乎没有质量而且难以置信，稀少的　子中微子“鄙视”它周围的环境，很少与较之更普通的物质发生反应。这些特性使它很难被检测到。现在，一个国际物理学家小组宣布第一次“直接”探测到　子中微子，科学家已经间接地证明这种粒子的存在。 中微子的发现源于科学家无法平衡亚原子粒子的方程式。３０年代，泡利预言了一种质量极小而且与环境只有微弱反应的粒子带走了放射性衰变中损失的能量。几十年后，中微子的存在得到了证实。科学家认为有３种中微子，每一种都以与之反应的基本粒子命名：电子中微子与电子反应，μ子中微子与μ子反应，子…     

观测天体物理的开创性工作

2002年的诺贝尔物理学奖颁给了美国的戴维斯(Raymond Davis,Jr)、贾科尼(Riccardo Giacconi)和日本的小柴昌俊.其中戴维斯和小柴的贡献在于将高能和粒子物理的研究方法应用于探测来自宇宙空间的中微子,他们经过1960年代以来的努力工作找到了来自太阳和超新星爆发的中微子辐射,从而确定了中微子的一些内部性质,也确立了中微子天文学的地位.贾科尼不仅是国际知名的高能天体物理学家,也曾长期担任天文学界几个重要科研单位的领导人.他得奖的部分贡献是在1960和1970年代通过空间观测手段发现了来自天体的X射线,开创了X射线天文学的先河.     

世界上第一个中微子实验室

中微子同物质的作用极其微弱,它有很强的穿透能力。从事中微子的研究可以利用它的这个性质。反应堆是中微子的巨大源泉。中微子能自由自在地通过反应堆屏障,向人们报告反应堆芯内部反应的过程。我们研究的目的有两个:第一,研究中微子数量和反应堆功率之间的直接耦合;第二,根据中微子的能量判断一些元素(如铀)在反应堆内部的反应强度,另一些元素(如钚)积蓄的数量。科学家认为,研究中微子应该制造精密的仪器,用远离反应堆、置于厚厚的混凝墙后面的仪器,就可以“看见”其内部特殊的“中微子光”。因此,产生了在罗文核电站建立专门的中微子     

宇宙线粒子水声效应的探索

一、引言加速器实验已经证实,带电粒子束穿过固体和液体介质时,能产生可探测的声讯号。在液体介质中,对发声机制和声波性质,以及可探测的能量下限进行了许多实验研究。最近几年,宇宙线工作者对该项研究产生了极大的兴趣,DUMAND计划正探索在5千米深海海底建造质量为10~9—10~(11)吨的探测器。利用声学效应或者-效应探测超高能μ介子和中微子产生的级联簇射,进行超高能相互作用和中微子天文学的实验研究。毫无疑问,如能实现     

时间旅行将成为可能

据国外媒体报道,古怪神秘的中微子再一次让粒子物理学家感到迷惑,在此之前,粒子物理学家发现来自太阳中微子实际测量的流量与理论模型之间存在较大偏差,这就是著名的中微子缺失之谜,中微子的缺失使得物理学家不得不思考当时认定的标准太阳模型是否存在问题。接着,空间中微子探测器发现宇宙中中微子存在震荡的现象,3种不同类     

敲开新物理大门的中微子——2015年诺贝尔物理学奖介绍

 2015年的诺贝尔物理学奖颁给了Takaaki Kajita(梶田隆章)和Arthur B. McDonald,他们在分别领导的大气和太阳中微 子实验中发现了中微子振荡。这种现象表明中微子具有质量,相关实验结果是超出粒子物理标准模型的重大发现。通过介绍 这些实验以及相关的物理,以期读者对中微子研究有较为全面的了解,并对物理的知识体系和研究方法有比较清楚的认识。     

宇宙"幽灵"追捕记

当您在读此文时,一种叫做“中微子”的宇宙射线,正无时不刻地自太阳源源而来,穿过我们的身体和地球,直奔宇宙八方。 一石激起千层浪 日本名古屋以北有个废弃的锌矿深达千米,曾经是个荒芜之地,但在20世纪末,它却成了国际物理学家的希望之乡。 1998年6月,日本科学家宣布,名古屋的地下中微子探测装置经过反复实验,证明中微子具有静     

微类星体带来的谜团

与普通的观点相反 ,黑洞是个挑剔的食客。尽管这些重达数十亿太阳质量的巨兽每年可以吞食一个太阳质量的物质 ,但是它却为类星体提供动力而且会喷出等质量的物质