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     

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.     

PandaX实验介绍和进展

Panda X是一个利用惰性元素"氙"作为探测介质进行粒子及天体物理稀有事件探测的大型实验装置.Panda X的一期和二期实验主要利用"二相型氙"时间投影室技术来进行弱相互作用暗物质粒子的直接探测.其中一期实验使用了120 kg氙,目标是在低质量暗物质区域检验以往其他实验所发现的疑似信号.一期实验的结果不支持这些疑似信号,并对10 Ge V/c2以下质量的暗物质性质给出了严格的限制.二期实验升级后的探测器使用了500 kg的氙.二期实验目前正在进行调试和试运行,它将在2015年末正式开始数据采集.Panda X第三期实验将采用高压的富氙-136(90%富集度)气体探测器进行无中微子双贝塔衰变探测,以研究中微子的本质.三期实验正在进行概念设计和原型测试.     

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.     

FASER实验:简介与研究进展

FASER(ForwArd Search ExpeRiment)是一个位于大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)上的前向粒子探测实验. LHC质子对撞产生的质量轻、能量高的粒子往往会沿着束流方向飞行,并逃离传统粒子探测器的覆盖区域.对这些前向粒子的探测和研究是传统探测器实验很好的补充. FASER探测器(包括其专门用于探测中微子的子探测器FASERν)位于ATLAS对撞点处束流切线方向下游480 m,物理目标包括可能的暗物质候选者和对撞机产生的中微子. 2023年3月, FASER首次直接探测到约153个对撞机产生的高能中微子,信号显著度为16σ.随后, FASER合作组又公布了其暗光子搜寻结果,未发现显著信号,但给出了质量在17～70 MeV范围内、?在2×10^–5～1×10^–4范围内的暗光子可能性的世界最好限制.正在计划中的前向物理设施(Forward Physical Facility, FPF)或将成为未来HL-LHC时代前向物理研究的新阵地.本文将介绍FASER实验装置及其物理目标,并简要介绍FASE...     

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.     

中微子静质量在宇宙成团过程中的作用

宇宙间中微子十分丰富,如其静质量不为0,必然会产生显著的天体物理效应。自从1980年有实验宣称中微子静质量不为0以来,已有许多人对此进行研究。其中,星系和星系团的形成机制是一个十分受人注意的问题。     

太阳中微子的截面计算

太阳中微子问题是近年来天体物理学中的一个突出问题。戴维斯(Davis)及其合作者用实验测量了太阳中微子被~(37)Cl的吸收率v+~(37)Cl→~(37)Ar+e~-(0.814MeV) (1)(括号中的数字表示阈能),实验结果与理论严重矛盾。我们曾提出了中微子老化假说来解释太阳中微子的“短缺”现象,所谓中微子老     

物理界名人质疑中微子比光速快

几十纳秒,这在我们日常生活中是感觉不到的一瞬间,但在实验物理学中却能产生重大差别。9月23日,一个欧洲物理学合作项目——OPERA(利用乳胶寻迹设备开展中微子振荡实验项目)——宣布了一项令人震惊的发现:在位于瑞士和意大利两地实验室之间进行了一次中微子基本粒子的地下之旅后,经过测速,研究人员发现,中微子完成这段行程要比光速走完同样距离     

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。     

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．     

电子束的水声效应实验

利用超高能粒子射入水中所产生的声辐射效应来探测超高能粒子的相互作用是1975年才提出的新课题。美苏两国于1976年前后开始在加速器上进行实验。为了了解声信号的基本特征及其与介质参数、粒子束能量的关系,以分析发声机制,我们于1979年10月在30Mev     

太阳中微子被~(81)Br和~7Li的俘获截面

最近提出用~(81)Br作为太阳中微子探测器来研究太阳中微子的通量。我们曾提出中微子老化假说解释了以~(37)Cl作为探测器的实验结果和理论值之间的矛盾。本文利用[2]中的假说及完全同样的参数计算了太阳中微子被     

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。     

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     

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。     

低渗透多孔介质和微管液体流动尺度效应

常规多孔介质和圆管中液体的流动都遵循Hagen-Poisseuille定理,即液体流速和压力梯度成正比.而对于低渗透多孔介质中液体渗流,存在拟启动压力梯度,即存在微尺度效应.那么对于微圆管,由于流动的通道具有较小的空间尺度,因此在物理本质上,也应该存在微尺度效应,但由于目前实验手段的局限,还未能证明这一点.本文通过对比和分析低渗透多孔介质和微管中液体流动规律,预测了微管中液体流动出现微尺度效应的尺度约为1微米.     

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。     

中微子:20世纪科学的重大发现

日本东京大学科学家利用废弃的矿坑建成地下水槽，在水槽中装满5吨水。他们利用这个巨大装置观测大气中的中投子，历时两年多，观测到的中微子数量比理论值少得多。这是由于中微子通过大气层和地球时，大量μ中做手转变为难以探测的，中做子，这种震荡现象，说明中微子具有静止质量。1998年来自25个国家的350多名科学家目睹了实验过程，证明中微子的确具有停止质量。这一结论轰动了全世界，它是人类认识中微子的新里程碑，它对粒子物理学和宇宙标准理论将产生深刻影响，我国两院院士评出这是1998年全世界十大科技新闻之一。中做子，作为20世…     

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.