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巨型地下实验室:地下1500米揭晓支配宇宙神秘规则

发布时间:[2017-7-31] │来源:IThard.com │作者:易特网
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易特网 讯:

大科学事件通常意味着需要努力思考和聪明的规划,这将研制出最尖端的科学设备,并有望获得突破传统的重大发现。目前,科学界权威人士和应邀的社会显要人物做出一个重要决定,使一些科学梦想进一步成为现实:他们将建造一个巨大的地下实验室,有望揭晓支配宇宙的重要规则。


这个最新科学设备叫做“深层地下中微子实验室”,将部署在桑福德地下研究机构,这里曾经是南达科塔州霍姆斯特克金矿。DUNE实验室将探测叫做中微子的亚原子微粒,距离芝加哥以西费尔米国家加速器实验室1280公里。


巨型地下实验室:地下1500米揭晓支配宇宙神秘规则


DUNE是一个重大科研项目,来自全球1000多位科学家参与该项目,该探测器非常庞大,并需要建造在霍姆斯特克矿1500米深的一处地下洞穴中,为了制造这个洞穴,工人需要挖掘80万吨岩石,其重量相当于八艘现代航空母舰的重量。在高峰期此项挖掘工作需要南达科塔州大概2000个工作岗位。


幽灵粒子


中微子是亚原子微粒,但它不同于质子、中子和电子,它们对于构建原子结构不具有关键角色,它们是地球上放射性元素衰变时产生的,这一过程叫做“β衰变”。事实上,在3种已知亚原子作用力中(电磁、或强和或弱的核力),中微子仅能感知微弱的力量,由于中微子的弱作用力,它们很少与其它物质发生交互。


这些幽灵粒子在宇宙无所不在,除了形成于β辐射,它们还大量出现在核反应堆中。虽然分布全球的核电站也能制造中微子,但最大的核反应还是出现在太阳。太阳每秒喷射大量的中微子,尽管地球与太阳的平均距离大约是1.5亿公里,平均每秒太阳喷射抵达地球的中微子数量大约100万亿,这些中微子根本不会对人体构成威胁。


为了让人们真实理解这一过程,假设你是一位中微子恐怖症者,希望屏蔽持续降落至身体上的中微子。这是可能的,至少从理论角度具有一定“现实意义”。


中微子与物质发生微弱交互作用,如果你希望身体屏蔽来自太阳的中微子,你可以使用一块非常厚的铅板。铅板需要足够厚度,能够阻挡一半的太阳中微子,这块铅板非常厚,足以填补地球和第二颗邻近恒星半人马阿尔法星之间的空间,它与地球之间的距离超过4光年。如果中微子能够多数穿过铅板,那么它肯定能够穿过人体,就此而言,甚至包括地球。


令人惊奇的中微子


为什么中微子会让人们关注呢?在过去1个多世纪里,中微子曾多次令科学家感到惊奇,尽管中微子在β衰变中释放中微子,它们的交互作用非常弱,之前科学家无法长时间探测到它们的存在。因此,它看上去就像β衰变打破了物理定律,能量和动量似乎并不守恒,换句话讲,最初原子核能量并不能完全解释它的衰变过程。


1930年,物理学家沃尔夫冈·保利提出中微子是无形的,本质上是无法察觉的微粒,它们可用于解释β衰变过程。直到1956年,科学家探测到一个核反应堆释放中微子,运行这项实验的科学家是弗雷德里克·莱因斯和克莱德·考恩,在他们决定使用不引人注目的反应堆之前,考虑试图从核爆炸中捕捉中微子脉冲。


同样在1956年,科学家吴健雄(音译)进行了另一项实验,他使用钴原子核的β衰变显示了控制中微子的力量,弱核力拥有一个惊人的特征,涉及弱核力的现象可在我们熟悉的宇宙中观测到,它不太可能出现在一个镜相宇宙之中,也就是说,当一个方向发现切换,例如:左右交换,上下颠倒等。


这一观点与强核力和电磁学形成鲜明的对比,这种方向的切换是可以实现的。但由于弱核力不遵循这种上下、左右对称的方向切换类型,如果爱丽丝穿过这样的镜面,她将遭遇一个真实、但不同于我们的现实世界。最终,俄罗斯物理学家列弗·朗多证实称,控制宇宙物质的法则支配着镜相宇宙中的反物质,或者物质和反物质都是镜相图像。这项发现涉及中微子和弱核力,可能重新改写科教书相关内容。


行为怪异的粒子


上个世纪60年代,中微子带给我们多个惊喜。1962年,物理学家利昂·莱德曼、梅尔文·施瓦兹和杰克·施泰因贝格尔发现存在两种类型的中微子(2000年科学家发现在费尔米国家加速器实验室发现第三种类型的中微子)。


更大的惊喜发生在当化学家戴维斯·大卫试图使用一个奥运会游泳池大小的桶状结构装满干洗液作为一个中微子探测器,探测到来自太阳的中微子,干洗液中的氯与太阳中微子发生交互反应,将其转换成放射性氩和电子,通过测量氩,科学家间接地发现了中微子,有趣的是,大卫的中微子探测器也设立在霍姆斯特克金矿。


虽然大卫观测了太阳中微子,但是他仅看到自己预期的三分之一,尽管这可能是一个错误的测量或者预测,但后续实验表明,他的测量是正确的。差异的原因可能是中微子在传输状态中持续衰减,但事实证明,这并不是真正的答案。


另一种可能性是中微子可以从一个变体演变至其它的变体,这种变体过程叫做“中微子振荡”,因为中微子可能从一种类型变形至另一种,并再次转变成最初类型。在1998至2001年之间的一系列实验中,科学家证实了中微子振荡的存在。


神秘的反物质


中微子振荡的发现将有助于科学家更好地理解这一现象,这些信息知识很容易通过使用粒子加速器获得,在美国、欧洲和日本,科学家能够产生中微子束,最强大的中微子束形成于费尔米国家加速器实验室。


在美国明尼苏达州北部矿坑进行一项叫做“主射中微子碰撞搜索(MINOS)”的早期实验中,费尔米国家加速器实验室朝向MINOS探测器发射中微子束穿过地球(中微子很少相互作用,所以没有隧道,中微子几乎能够贯穿地球)。


MINOS实验从2005年运行至2016年,一项叫做“NuMI离轴中微子外观(NOVA)”的后续实验于2014年开始,这个遥远的探测器位于明尼苏达州的灰河。因此,费尔米国立加速实验室自然地成为释放中微子至DUNE的实验室,此次实验室设置在南达科塔州,而不是明尼苏达州。


为什么科学家希望建立DUNE实验室呢?当然,DUNE实验室能够更好地描述中微子振荡的特性,但是这里存在一个问题非常吸引人。费尔米国立加速实验室能够同时制造中微子和反物质中微子,并且DUNE实验室可以同时使用这两组数据研究物质和反物质中微子的振荡特性。依据科学家的预测,这两种振荡是相同的,目前DUNE实验室可以验证这一情况。


为什么物质和反物质中微子存在着振荡差异呢?可以使用“标准模型”来解决这个问题,标准模型表明,我们可以转换能量至物质,反之亦然。但是当能量转换成为物质,将形成大量的反物质,在宇宙大爆炸时会产生大量能量,因此我们的宇宙应当包含相同数量的物质和反物质,但是为什么仅剩下物质,我们却并不知晓。


1956年科学家吴健雄的实验表明,弱核力法则支配着我们宇宙中的物质,支配着一个镜相宇宙中的反物质。因此它们的差异可能证实物质和反物质中微子碰撞的差异性。如果科学家观测到这些振荡的不对称性,很可能揭示了物质-反物质的不对称性。


DUNE实验室还具有其它的功能,例如:能够探测到银河纱和邻近星系中超新星释放的中微子。同时,它可用于搜寻中子星合并时暴力天文事件释放的中微子,或者可以揭晓关于黑洞的交互作用。


同时,DUNE实验室还将搜寻质子衰变,标准模型预测质子非常稳定,并且不会发生衰变。通过实验我们知道如果质子发生衰变,其半衰期将比10^34年更长。然而,一些最新理论延伸了标准模型的预测结果,在时间尺度上,质子衰变时间可能仅比当前极限略长一些。


因此,如果DUNE实验室观察到了质子衰变,这将有助于我们更加深刻地理解宇宙,同时,观察到的质子衰变能量将高于大型强子对撞机获得的数据,大型强子对撞机是世界上最强大的高能粒子加速器。


DUNE实验室被认为是美国未来几十年的“旗舰实验室”,大量的国际合作专家将对实验室获得的数据进行分析,观察是否中微子将出乎人们的意料之外,如果这是真实可能的,它不会是第一次令我们感到吃惊。


巨型地下实验室:地下1500米揭晓支配宇宙神秘规则



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