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巨大的日本探测器准备从超新星捕获中微子

时间:2019-03-01 15:05 作者:admin 点击:

进入日本超级神冈地下中微子天文台的幸运少数人中有11万只巨眼橙色眼睛 - 这是迄今为止世界上同类最大的中微子探测器。有机会看到这些光传感器是罕见的,因为它们通常浸没在50,000吨纯净水中。但是,1月份完成的Super-K的重大改造为这座宏伟的科学大教堂提供了难得的机会。

六十年到一月之间的十多年来,水首次从探测器中排出,作为11亿日元(1000万美元)整修的一部分。除此之外,升级将允许Super-K捕获由远程超新星发射的中微子,当老化的恒星在其自身重量下坍塌时发生的爆炸。天文学家希望这些数据能够更好地了解宇宙中超新星的历史 - 但是它们发射的中微子很难被发现。

“每隔2-3秒,一颗超新星在宇宙的某个地方消失,产生1058个中微子,”领导由日本和美国领导的国际合作组织Super-K的Masayuki Nakahata说。东京大学的物理学家Nakahata说,随着升级,探测器应该能够每月计算一些这些“遗物”中微子。

Super-K位于日本中部Hida附近的一座山下1000米处。在内部,水分子捕获从太阳和大气流过地面的中微子,或从数百公里外的粒子加速器射出的中微子。今年晚些时候,天文台将把稀土金属钆加入水中。这将使探测器更好地区分中微子的不同类型或“味道”,以及它们的反粒子,反中微子。

1987年,超级K的较小前身神冈探测器探测到了超新星中的第一个中微子。十几个中微子来自Supernova 1987A,它发生在大麦哲伦星云中,这是一个围绕银河系运行的小星系。主要实验者Masatoshi Koshiba分享了2002年诺贝尔物理奖,部分原因是为了发现。但从那时起,没有任何中微子与超新星有关。

大多数太阳中微子通过高速撞击水分子中的电子来揭示自身,从而产生微弱的光线(这就是Super-K的'眼睛'看到的)。但是其他中微子 - 特别是构成大量超新星发射的反中微子 - 与原子核中的质子相互作用而不是与电子相互作用。这种碰撞释放出中子和正电子,电子的反物质版本。探测器很难将正电子信号与太阳中微子的电子信号区分开来。但是当被另一个原子核捕获时,中子会产生自己的特征 - 一种γ射线。

新的力量

在捕获这些杂散中子时,钆原子核比水的氢或氧原子核更有效,并且它们产生的γ射线更容易被Super-K检测,作为另一种闪光。因此,当反中微子击中时,Super-K将看不到一个闪光而是两个,相隔几微秒。

哥伦布俄亥俄州立大学理论天体物理学家John Beacom和现在日本柏市Kavli宇宙物理和数学研究所的超级K实验家Mark Vagins提出了向Super添加钆的想法。 -K在21世纪初1。钆已用于较小的中微子实验,但从未用于水检测器。

“当我们第一次开始时,我们谈过的每个人都给了我们一份清单,列出了为什么不可能的十个理由,”Beacom说。Vagins说,最大的挑战是探测器的水是否可以连续过滤除去杂质,同时不去除钆。他领导了长达十年的努力,以证明这个想法可行,其中包括建造一个价值600万美元的中微子探测器,这个探测器被称为评估钆的探测系统行动(EGADS)。这项工作的关键部分需要发明一种新型水系统。

到2015年,Beacom和Vagins已经说服了合作,将钆纳入下一次升级。改造的那一部分非正式地被称为Gadolinium Antineutrino探测器,超级老超自然地超越了Kamiokande!(GADZOOKS!),包括感叹号。(和Egads一样,Gadzooks常用于超级英雄漫画中以表示惊喜。)

Super-K已经取得了巨大的成功。1998年,在作业开始两年后,探测器提供了第一个确凿的证据,即中微子和反中微子可以在三种口味之间“振荡”或循环。这一发现迫使理论家们修改了粒子物理学的标准模型 - 宇宙粒子和力量的解释 - 并提出了一系列新问题。(Takaaki Kajita是Nakahata的同事,也是Super-K的前领导人,因发现中微子振荡而获得2015年诺贝尔物理奖。)

剑桥麻省理工学院的中微子物理学家珍妮特康拉德说:“Super-K对粒子物理学的影响力,如果不是比LHC更有影响力,那就是欧洲核子研究中心发现希格斯玻色子的对撞机。”

“我很高兴Super-K现在开始使用钆兴奋剂。我认为物理学非常令人兴奋,“康拉德说。“我也很高兴我的朋友Mark Vagins和John Beacom。有很多人说这种做法原因很多。“

超-K

即使Super-K重新开始,日本物理学家也在推动一个名叫Hyper-Kamiokande的更大兄弟。东京大学已经投入了550亿日元的项目,现在研究人员正在等待国家政府是否会资助它。预计8月份会做出决定。

“我们的目标是在两年内开始Hyper-K建设,然后在2027年左右开始运营,”项目负责人Masato Shiozawa说,他是该大学的物理学家,也是Super-K合作的长期成员。

Hyper-K的水箱可容纳260,000吨水,是Super-K的五倍多。它的超大尺寸会使它在探测超新星方面更加有效,但它也应该有助于它研究另一个宇宙之谜:为什么宇宙看起来主要由物质构成,周围几乎没有反物质。

理论家们说,理解这种差异的关键一步是测量中微子和反中微子之间的不对称性,特别是反中微子在三种口味中循环的速度与中微子之间的差异。Super-K已经看到了这种差异的强烈暗示,使用从粒子加速器射穿地壳的中微子,但Hyper-K能够进行更精确的测量。