介绍

中微子是微小的亚原子粒子,看起来像鬼。数万亿他们通过我们每一秒没有留下痕迹!他们大多来自核反应这种力量我们的太阳。但与我们看到的阳光和感觉我们的脸,这些恐怖的粒子通常不会与普通材料。“看到”中微子,科学家建立非常大,敏感的探测器,经常深入地下。这件事使地球帮助保护信号从其他粒子,所以,中微子的罕见的相互作用的信号站被发现的机会。这些巨大的探测器正在帮助科学家捡起这些恐怖的粒子携带的“消息”。当科学家解码的消息,他们了解中微子之间的联系和恒星的构成和历史,星系,宇宙。

中微子是什么?

中微子是很轻的粒子没有电荷。他们是不稳定原子核衰变时释放。这样的放射性衰变发生在我们周围。甚至在岩石和矿物钾香蕉腐烂产生中微子(见图1)。但更多的中微子来自核反应的太阳比任何其他来源。

不管他们的来源,中微子是完全无害的,因为他们不粘在一起或与什么互动。他们从太阳和外层空间流,穿过地球普通甚至自己的身体和自己,我们知道。这样的话,他们似乎有点像ghosts-there,然而看不见的。但是因为中微子携带信息的恒星和星系内部发生着什么,科学家想要知道更多关于他们。中微子甚至可能帮助我们理解发生了什么当我们的宇宙第一次形成于近140亿年前!

如何抓住一个恐怖的粒子

中微子几乎与普通物质相互作用,所以他们很难检测到。如果你把一杯水放在一个表,每秒钟一万亿中微子穿过。大多数的神秘粒子穿过没有发出任何声音或留下痕迹。但是偶尔,很少,就像每一千万次,一个中微子将罢工的一个原子组成一个水分子。罕见的交互可能产生微小的闪光或留一些自由电荷。

flash是太微弱了,你的眼睛看到的。但是科学家们可以建立非常敏感的探测器去接那些微弱的信号。像捉鬼敢死队,内部的电子探测器放大信号,使看不见的“鬼魂”可见!

但等待一个“一千亿亿分之一”中微子交互可以花费很长的时间。捕获足够的中微子任何关于他们学习,科学家需要一个更大的“一杯水”巨大的坦克装满数百万加仑!他们把巨大的探测器坦克地下深处。为什么?因为中微子并不是唯一的粒子压缩到地球。许多其他高能粒子称为来自外太空的宇宙射线也流。每一个这些宇宙射线粒子探测器可以引起可见的交互。如果探测器坦克是地面,数以百万计的宇宙射线相互作用将很容易淹没罕见的中微子的信号。但随着探测器地下深处,宇宙射线是通过与地球的原子相互作用停止,中微子穿过探测器离开他们的标志。

不同的中微子探测器和中微子类型

中微子有一个巨大的能量范围。这种变化可以导致一个微小的闪光或一个非常明亮的闪光在水探测器。中微子也有三种不同的类型,被称为味道。科学家们已经学会了如何建造探测器适用于每种类型的中微子和大量的能量。

每个不同类型的中微子的交互作用会产生一种不同的带负电荷的粒子。一个电子中微子产生一个电子(很简单,对吧?)。另外两个中微子命名类型不同,重亚原子粒子:μ子中微子产生的μ介子的粒子;和τ中微子产生τ粒子。

也有反物质版本的三个中微子的味。这些都是一模一样的普通物质中微子,除了他们会形成带正电的粒子探测器。

科学家可以分辨这些粒子,因为每种类型探测器留下了不同的模式。例如,μ介子离开直线轨道,电子像淋浴,迅速和τ粒子衰变产生多个直接跟踪。使用不同的模式,科学家可以解码中微子口味和隐藏的消息由每一个恐怖的粒子。

敏感的电子产品拍摄3 d图片

一组科学家正在建造一个巨大的新的中微子探测器在南达科塔州在美国地下深处。这个实验被称为地下深处中微子实验(沙丘)。它的探测器将充满液氩。

氩气只占1%的大气,但科学家们可以收集它非常纯粹的液氩。这种超级冷的液体(-186°C)很容易发现中微子产生的带电粒子通路相互作用。这是因为快带电粒子穿过液氩氩原子的电离他们的道路。那电离允许跟踪他们离开出现像“闪电”。

但是建立一个冷液氩探测器是一个巨大的挑战。确保这个新设计将工作,国际团队最近建成并测试了一个较小的版本,称为ProtoDUNE(见图2)。他们拍摄不同类型的粒子通过这个探测器在欧洲粒子物理实验室在欧洲核子研究委员会(CERN)。精心设计的电子捡起这些测量并记录和电脑的信号转换到美丽的三维粒子跟踪的图像(见视频1)——一个在三维空间的像素数码相机!

来自太阳的使者,大气中,反应堆和加速器

在过去的50年中,科学家们得到更好地探测中微子。他们测量来自太阳,从碰撞地球大气层的宇宙射线与原子和核反应堆发电(见图3)。他们也学会了做很高能中微子在高能粒子加速器。每一种生产不同口味不同的中微子能量来源。通过仔细计算中微子的味道在不同距离从这些来源,科学家们两个引人注目的发现中微子。首先,他们发现,三种不同类型的中微子变成对方,因为他们穿越空间!换句话说,中微子的消息携带改变当他们飞。第二,他们发现中微子有质量很小!每一个中微子粒子重量< 1000000电子的质量。

第一个实验,成功地探测太阳中微子,布鲁克海文国家实验室的雷蒙德•戴维斯在1960年代发现了一个惊喜:许多中微子,科学家们希望发现是什么“失踪。“但这并不是因为探测器没有工作。科学家们设计了检测器只接受一种neutrino-electron中微子产生太阳的核心。他们可以计算到底有多少电子中微子应该被检测到。但是只有大约三分之一的预期电子中微子探测器的出现。在后续的实验中,科学家最终学会了这个神秘背后的原因:一些电子中微子的演变成另一个两种(μ介子或τ)在他们的旅程从太阳。因为探测器是忽视其他两个口味,他们似乎失踪!

戴维斯的“太阳中微子赤字”的发现是,首先,非常有争议的。它必须被其他的实验测试。其他实验使用大气中微子、反应堆中微子和加速器中微子。在所有这些实验中,科学家发现中微子口味被“消失”即把进其他口味很长一段距离。

新的沙丘实验在美国和日本的Hyper-Kamiokande实验将会披露更多细节关于中微子和反中微子的变形行为。如果科学家找到区别中微子和反中微子如何改变,它可能解决宇宙中最重要的一个谜题:为什么宇宙是由物质组成的,而不是反物质。

科学家认为这两个等量的物质和反物质被创造的宇宙大爆炸。等量的这两个对立应该摧毁彼此只留下光!所以,今天只有物质存在的证据表明,有一个多余的物质。中微子和反中微子之间的差异可能导致这个小过剩随着宇宙的膨胀和冷却。如果这是真的,我们有宇宙中微子感谢今天,我们周围充满了所有可见的东西,包括岩石,植物,动物,和人!

术语表

核反应:↑当原子核核反应发生相互反应形成其他原子核。在阳光下,氢原子核(质子)结合形成氦核和释放energy-heat和阳光。

放射性衰变:↑许多原子的原子核不稳定,随着时间的推移,他们分开释放高能粒子,如α、β和γ射线。这个分裂的过程叫做放射性衰变。

反物质:↑每种类型的带电粒子的物质有一个电荷相反。这些相同的,但在相反的带电粒子是反物质(或反粒子)。例如,对应的反物质μ介子(带负电)是一种antimuon(带正电)。中微子没有收费,但他们也有反粒子;理解这些反中微子的本质是物理学最重要的奥秘之一。

中微子的味:↑中微子有三种口味,或者类型,不同类型的命名时产生的带电粒子与普通物质交互。三个基本带负电荷的粒子是电子、μ子和τ粒子。他们在各方面都是相同的,除了μ介子比电子重200倍,τ是重3500倍。

液氩:↑氩是一种惰性气体,形成地球大气的百分之一。它变成了液体在-186°C和水的清晰的外观。探测中微子是件好事,因为电离残留时间长到足以被检测到。

电离:↑电离发生在高能粒子把电子从原子。结果是带正电的离子和自由电子。

加速器:↑带电粒子加速器设备,如电子或质子加速到接近光速。科学家可以很强烈碰撞的粒子束与目标其他亚原子粒子,包括高能中微子。

宇宙大爆炸:↑宇宙大爆炸是速记的宇宙从一个点开始的事件充满了热,致密物质大约140亿年前的状态。所有我们今天所看到的粒子和物质,包括所有的星系、恒星、行星,形成点状状态膨胀和冷却。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。