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科学家成功瞥见“太阳灵魂”-内核产生PP中微子

  借助全球最敏感的中微子探测器,一支国际物理学家团队第一次向全世界报告,他们已经直接探测到了在太阳内核发生的、由“基础”质子—质子(PP)融合过程产生的中微子。

  主报告人安德瑞·波卡尔是来自马萨诸塞大学阿莫斯特学院的物理学家,他解释说,在99%的太阳能源产生的步骤中,PP反应是第一步。利用这些中微子的最新数据,我们可以直接着眼于太阳最大能源生产过程的发端或链锁反应,直达其极热的密实核心。

  据物理学家组织网8月27日报道,超过百人的这支国际团队,通过比较两个不同类型——中微子和表面光的太阳能辐射,获得了关于太阳热力学平衡的试验资料,这些信息的时间尺度是10万年。

  波尔卡说:“如果说眼睛是灵魂的窗口,利用这些中微子,我们已经瞥见了太阳的灵魂。”


太阳内核产生的PP中微子被直接探测到



在内部从下向上观察到的太阳中微子天文台不锈钢球体。


  “无处不在”却“难以琢磨”

  在太阳核心发生的核聚变过程中,核子作用和不同元素的放射性衰变产生了中微子。这些粒子以接近光速的速度冲出太阳,以每秒4200亿次的频率击打地球表面的每一寸土地。

  “就目前所知,中微子是我们看向太阳内核的唯一途径。当两个质子融合成一个氘,会释放这种PP中微子,这种中微子非常难以研究,因为中微子内部作用产生的能量很低,而充斥着巨量丰富的自然放射现象,轻易就覆盖了其作用时发出的信号。”

  波尔卡补充道:“由于只需要通过弱核力完成相互作用,它们穿过物质几乎不受任何影响,因此,你很难从普通材料的核衰变中检测和区分出它们。”

  中微子会以三种状态进入探测器。那些来自太阳核心的,应该是“电子”,当它们从出生地旅行到地球时,会再现其他两种状态“U介子”和“Τ(希腊字母表中的第19个字母)”之间摇摆或转换。

  “根据这一现象和以前的太阳中微子测量,探测器再次强烈证实了这种微粒的行为是多么的难以琢磨。”波卡尔说。

  介质足够“老” C-14足够“少”

  中微子天文台的这台探测器,被放置在意大利的亚平宁山脉深处,处在一个被1000吨水环绕的巨大球形物的中心。当中微子与一种超纯分子有机液体闪烁体作用时,该探测器会探测到中微子。

  由于所处极大深度并借助很多洋葱状的保护层,这一装置得以在地球上最少辐射的地方顺利开展工作。事实上,它是地球上能观察中微子整个光谱的唯一探测器。

  在使用中微子探测器的过程中,关键挑战之一是需要控制和精确地量化所有背景辐射。

  波卡尔说,探测器核心的有机闪烁体充满类似苯的液体,这些液体是从在地球上能够找到的“数百万年老原油”中提取的。“我们需要这种液体,因为我们想要所有或尽可能多的已腐朽C-14,因为C-14β衰变覆盖的中微子信号正是我们想要检测的。在闪烁体液体中,每10亿个原子中只有3个是C-14,这是一种多么荒谬的‘干净’!”

  在新论文中,物理学家们探讨的一个相关问题是,在闪烁体中,当两个C-14原子同时衰变的“连环”事件发生时,其特征与PP中微子相互作用很类似。

  波尔卡说:“本次报告的伟大进步在于,团队成员基思·奥蒂斯找到了一种路径,用统计学方法识别和扣除‘连环’现象的数据,这基本上使得新的PP中微子分析过程变得可行。”

  天体物理学家说,尽管检测PP中微子不是中微子天文台原始实验目的,“但它是一次意外的成功,且将这台探测器的灵敏度推向了此前从未到达的极限。”

  中微子难得人类竞相“围”之

  中微子是一种基本粒子,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中都扮演着极为重要的角色。在20世纪50年代发现宇宙中微子之后,许多人意识到中微子将会是理想的宇宙使者。

  由于没有质量并且不带电荷,和其他物质的相互作用极其微弱,这使得中微子的运动轨迹不会发生改变。对于那些来自遥远宇宙、来自黑洞边缘或者来自宇宙线发源地(如本文中的太阳)的中微子而言,可以告诉人类那些“源”在哪里,甚至可以让我们一探黑洞的究竟。

  不幸的是,建造中微子望远镜却是一项令人望而生畏的挑战。总体上说,一架中微子望远镜必须具有千米的尺度以便探测来自宇宙的微弱中微子流,要足够透明以便光线可以在光学传感器阵之间传播,还要足够深以此来屏蔽来自地球表面的干扰,同时还要在经费上可以承受。

  今年7月,中科院高能物理研究所宣布,由中国主持的第二个大型中微子实验——江门地下中微子实验将于今年年底动工。由来自全世界50多个科研机构和大学的200多位科学家组成的江门地下中微子实验国际合作组正式成立。

  2012年,由中国科学家主持的大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子第三种振荡模式,被国际粒子物理界评价为“开启了未来中微子物理研究的大门”。随后中国科学家即酝酿江门中微子实验。这一实验将解决国际中微子研究领域下一个热点和重大问题:中微子质量顺序。

  就在本月24日,以中国科学家为主导的大型暗物质探测实验组PandaX(“粒子和天体物理氙探测器”)发布了使用120公斤级液氙探测器所获得的首批数据。

  预测希格斯粒子的科学家、2013年诺贝尔物理学奖获得者恩格勒教授6月份在接受科技日报采访时表示,中微子和暗物质以及宇宙学的新发现,未来都可能获得诺贝尔奖。

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