巨大的探測(cè)器正準(zhǔn)備從超新星中捕獲中微子

進(jìn)入超級(jí)卡莫卡地下中微子天文臺(tái)的少數(shù)幸運(yùn)兒中，有11萬(wàn)只巨眼橙色眼睛——這是迄今為止世界上同類(lèi)中微子探測(cè)器中最大的一個(gè)。很少有機(jī)會(huì)看到這些光傳感器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＝菰?萬(wàn)噸的純水中。然而，1月份完成的Super-K的重大改造為這座宏偉的科學(xué)大教堂提供了難得的機(jī)會(huì)。

從60年到1月的十多年里，作為11億日元(1000萬(wàn)美元)改造的一部分，水首次從探測(cè)器中排出。此外，升級(jí)將使Super-K能夠捕獲遠(yuǎn)程超新星發(fā)出的中微子，這些中微子在衰老的恒星因自身重量而坍塌時(shí)會(huì)爆炸。天文學(xué)家希望這些數(shù)據(jù)能夠更好地了解宇宙中超新星的歷史——但是它們發(fā)出的中微子很難找到。

“每隔2-3秒鐘，一顆超新星就會(huì)在宇宙的某個(gè)地方消失，產(chǎn)生1058個(gè)中微子，”雅行中川昭一說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)著由和美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作組織Super-K。東京大學(xué)的物理學(xué)家中川昭一說(shuō)，隨著升級(jí)，探測(cè)器應(yīng)該能夠每月計(jì)算一些這樣的“遺跡”中微子。

Super-K位于中部Hida附近的一座山下1000米處。在內(nèi)部，水分子捕獲從太陽(yáng)和大氣流經(jīng)地面的中微子，或者從數(shù)百公里外的粒子加速器發(fā)射的中微子。今年晚些時(shí)候，天文臺(tái)將在水中加入稀土金屬釓。這將使探測(cè)器能夠更好地區(qū)分不同類(lèi)型或“口味”的中微子及其反粒子——反中微子。

1987年，超級(jí)K較小的前身卡莫卡探測(cè)器探測(cè)到超新星中的第一個(gè)中微子。十幾個(gè)中微子來(lái)自超新星1987A，它發(fā)生在大麥哲倫星云中，這是一個(gè)圍繞銀河系運(yùn)行的小星系。主要實(shí)驗(yàn)者小柴昌俊分享了2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，部分原因是這一發(fā)現(xiàn)。但是從那以后，沒(méi)有中微子與超新星聯(lián)系在一起。

大多數(shù)太陽(yáng)中微子通過(guò)高速撞擊水分子中的電子來(lái)暴露自己，從而產(chǎn)生微弱的光(這是Super-K的“眼睛”看到的)。但是其他中微子——尤其是構(gòu)成大量超新星發(fā)射的反中微子——與原子核中的質(zhì)子而不是電子相互作用。這種碰撞釋放出中子、正電子和電子的反物質(zhì)版本。探測(cè)器很難區(qū)分正電子信號(hào)和太陽(yáng)中微子的電子信號(hào)。但是當(dāng)被另一個(gè)原子核捕獲時(shí)，中子會(huì)產(chǎn)生自己的特征——一種伽馬射線。

新力量

當(dāng)捕獲這些雜散中子時(shí)，釓原子核比水的氫或氧原子核更有效，它們產(chǎn)生的伽馬射線更容易被Super-K作為另一個(gè)閃光探測(cè)到。因此，當(dāng)反中微子擊中時(shí)，Super-K不會(huì)看到一個(gè)閃光，而是兩個(gè)相隔幾微秒的閃光。

哥倫布州立大學(xué)的理論天體物理學(xué)家約翰比科姆和喀什地區(qū)卡弗利宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所的Super K實(shí)驗(yàn)學(xué)家馬克陰道斯提出了在Super中加入釓的想法。-21世紀(jì)初的K。釓曾用于較小的中微子實(shí)驗(yàn)，但從未用于水探測(cè)器。

比肯姆說(shuō)：“剛開(kāi)始的時(shí)候，和我們交談過(guò)的每個(gè)人都給我們列出了十個(gè)不可能的原因。陰道說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是檢測(cè)器水是否可以連續(xù)過(guò)濾以去除雜質(zhì)，而不去除釓。他領(lǐng)導(dǎo)了長(zhǎng)達(dá)十年的努力來(lái)證明這一想法的可行性，包括建造一個(gè)價(jià)值600萬(wàn)美元的中微子探測(cè)器，該探測(cè)器被稱(chēng)為探測(cè)系統(tǒng)行動(dòng)(EGADS)來(lái)評(píng)估釓。這項(xiàng)工作的一個(gè)關(guān)鍵部分是需要發(fā)明一種新型的水系統(tǒng)。

到2015年，Beacom和陰道已經(jīng)說(shuō)服合作，將釓納入下一次升級(jí)。改造的那部分非正式地叫做釓反中子探測(cè)器，它是超古老的，超自然的，超越了神馬坎德！(GADZOOKS！)，包括感嘆號(hào)。(和Egads一樣，Gadzooks在超級(jí)英雄漫畫(huà)中經(jīng)常被用來(lái)表達(dá)驚喜。)

超級(jí)K取得了巨大的成功。1998年，手術(shù)開(kāi)始兩年后，探測(cè)器提供了第一個(gè)確鑿的證據(jù)，證明中微子和反中微子可以在三種味道之間“振蕩”或循環(huán)。這一發(fā)現(xiàn)迫使理論家修改了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型——宇宙粒子和力的解釋——并提出了一系列新問(wèn)題。(梶田隆章，中海田的同事，超級(jí)K的前領(lǐng)導(dǎo)人，因發(fā)現(xiàn)中微子振蕩而獲得2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。)

劍橋麻省理工學(xué)院的中微子物理學(xué)家珍妮特康拉德說(shuō)：“超K對(duì)粒子物理的影響，如果不比LHC更有影響力的話(huà)，那就是歐洲粒子物理研究所發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子對(duì)撞機(jī)。”

“我很高興Super-K現(xiàn)在使用釓興奮劑。我認(rèn)為物理非常令人興奮，”康拉德說(shuō)?！拔乙埠芨吲d和我的朋友馬克陰道和約翰比肯姆在一起。很多人說(shuō)，這種做法有很多原因?！?

超級(jí)K

即使Super-K再次啟動(dòng)，物理學(xué)家也在推動(dòng)一個(gè)更大的兄弟名為Hyper-Kamiokande。東京大學(xué)已經(jīng)投資了550億日元。

項(xiàng)目，現(xiàn)在研究人員正在等待國(guó)家政府是否會(huì)資助它。預(yù)計(jì)8月份會(huì)做出決定。

“我們的目標(biāo)是在兩年內(nèi)開(kāi)始Hyper-K建設(shè)，然后在2027年左右開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Masato Shiozawa說(shuō)，他是該大學(xué)的物理學(xué)家，也是Super-K合作的長(zhǎng)期成員。

Hyper-K的水箱可容納260,000噸水，是Super-K的五倍多。它的超大尺寸會(huì)使它在探測(cè)超新星方面更加有效，但它也應(yīng)該有助于它研究另一個(gè)宇宙之謎：為什么宇宙看起來(lái)主要由物質(zhì)構(gòu)成，周?chē)鷰缀鯖](méi)有反物質(zhì)。

理論家們說(shuō)，理解這種差異的關(guān)鍵一步是測(cè)量中微子和反中微子之間的不對(duì)稱(chēng)性，特別是反中微子在三種口味中循環(huán)的速度與中微子之間的差異。Super-K已經(jīng)看到了這種差異的強(qiáng)烈暗示，使用從粒子加速器射穿地殼的中微子，但Hyper-K能夠進(jìn)行更精確的測(cè)量。