探测宇宙的新工具:中微子天文学

中微子几乎没有质量,与物质相互作用也极其微弱。探测由太阳和附近的超新星所发出的中微子可以为恒星演化理论提供直接的验证,并且导致对描述基本粒子性质的标准模型的修改。目前,几个大型中微子探测器正在建造中,以便探测宇宙中这些粒子的来源。对诸如银河系外吸积黑洞等中微子源的探测,不仅可以研究这些源,而且还可以像太阳中微子那样为物质的基本性质提供新的信息。     

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     

多信使的盛宴

<正>在过去几十年内,天文学家已经观测到了几千个耀变体。"耀变体发射高能宇宙线和高能中微子"的图景很漂亮,却一直未得到有力的证实。但这个局面在2018年9月发生了改变:"冰立方"探测到一个遥远的超高能的中微子,而伽玛射线卫星探测到同一方向来的伽玛射线辐射。这两个探测结果表明,"耀变体发射高能宇宙线和高能中微子"的图景很可能是正确的,因此这个结果也被视为多信使天文学的一大突破。     

探索宇宙的奥妙，预测宇宙的未来

探索宇宙的奥妙,预测宇宙的未来,一直是人类的梦想。2002年诺贝尔物理奖就是表彰在天体物理学领域做出贡献的科学家。他们是美国科学家雷蒙德·戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多·贾科尼。戴维斯和小柴昌俊因为在“探测宇宙中微子”方面取得的成就,贾科尼因为在“发现宇宙X射线源”方面取得的成就而荣获2002年诺贝尔物理奖。     

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.     

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.     

“冰立方”藏在南极的中微子“捕手”

<正>中微子,这个曾在2011年的"超光速"乌龙事件中一度街知巷闻的粒子物理学名词,在国际物理学的舞台上几度掀起了波澜。先是2013年11月,位于南极的"冰立方"中微子天文台首次确定探测到了来自太阳系外的深空中微子;而后是2014年的2月11日,一组英国科学家对中微子的质量提出了新的见解,认为中微子比先前认知的要重得多;最近     

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。     

科学新发现——一颗恒星的死亡

苏联——意大利的中微子探测装置得到的数据成了当前最轰动的科学新闻之一,这一观测结果是在目前正在进行着的苏联科学院的年度全会上宣布的。这是历史上首次记录到的一颗恒星“迅速死亡”——或者用天体物理的术语来说就是恒星的引力坍缩——时所产生的中微子流。理论上早就预言了大质量恒星“死亡”的一种方式——那就是不可抗拒的引力坍缩,这时恒星消耗完了自己的核燃料,然后,迅速收缩成了一个致密天     

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。     

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     

重中微子探索

中微子在粒子世界和宇宙发展中扮演了重要角色,其中的重中微子更是一种重要的、奇特的粒子。探索它的存在与作用,是当前非常活跃的一个前沿课题。著名科学家唐孝威的《重中微子探索》,介绍并评析了这一项工作,值得一读。     

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     

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.     

科学家为何偏爱中微子

<正>人类首次确认37亿光年之外的超高能中微子的源头,这是继引力波之后的又一重大天文事件!人类探索宇宙的下一个重大发现也被认为或许就藏在宇宙中微子中。2018年7月,由威斯康辛大学麦迪逊分校主导的"冰立方"小组宣布,冰立方探测器于2017年9月22日探测到一个来自37亿光年之外的超高能中微子。美国宇航局(NASA)的费米卫星小组则宣布:在同一方向的一个编号为TXS 0506+056的天体的伽玛射线的亮度在此期间突然变大,这意味着这个中微子很可能来自耀变体     

新的探索,新的创举

1998年6月3日北京时间清晨6时06分,人类向宇宙之谜又一次进行了新的探索——美国“发现者”号航天飞机携带着阿尔法磁谱仪从肯尼迪发射中心顺利升空.这次探测的主要任务有三:一是探测宇宙中的反物质,二是寻找宇宙空间中的暗物质,三是测量宇宙中各种同位素的丰度.在此,我们就什么是反物质、反什么是暗物     

科学之窗

《自然》:科学家探测到“地中微子”1997年开始建造的KamLAND探测器,位于日本西北神冈1000米深的矿井下,由日、美、中三国近一百位科学家组成的KamLAND实验组探测来自日本及南韩的二十多个核电站反应堆产生的中微子。     

小鬼计划--捕捉中微子

中微子是形成我们世界的基本粒子之一,在宇宙中,中微子数量庞大且无所不在,即使现在,也就是你阅读这篇文章的时候,在你的一个手指头上,大约每秒钟就有10~(20)个中微子正穿过,只是你感觉不到而已,因为大多数中微子什么也不干,仅仅是通过你的身体,科学家因此也就把它们称为“小鬼”。中微子连地球都能穿透,如何捕捉这些“小鬼”呢?这是有史以来科学家所面对的最大挑战之一。     

从无穷小到无穷大的发现

近年来,科学家们已经展开了对粒子物理、天体物理和宇宙学交叉领域的探索,包括潜伏在山洞中探测致星系成团的暗物质粒子;把探测器置于南极冰面和地中海下探测来自外层空间的中微子;建造γ射线望远镜以便打开宇宙的新视角;追踪超新星爆发以解读促使宇宙加速膨胀的暗能量.     

两度辉煌的中微子

1995年诺贝尔物理学奖金一分为二:一半授予美国斯坦福大学的马丁·佩尔(Martin L.Perl),奖励他探测到了τ轻子;一半授予美国加州大学欧文分校的弗雷德里克·莱因斯(Frederick Reines),奖励他探测到了中微子.自然界的这两种亚原子粒子的实验发现均获诺贝尔奖,无疑是引人注目的.其中关于中微子探测实验的获奖,尤其令人称道.这有两个缘故:其一,诺贝尔物理学奖自1901年开始颁发以来,没有一个研究项目像中微子实验项目这样两次获奖(美国物理学家莱德曼、施瓦茨和斯坦博格因发现μ子型中微子而荣获1988年诺贝尔物理学奖);其二,没有一个诺贝尔物理学奖获得者像赖因斯这样事隔42年后才获奖.这两点,至少在诺贝尔物理学奖颁奖史上都创造了纪录．