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南极中微子探测器发现迄今能级最高震荡事件

时间:2014-08-31 18:20来源:网络整理 作者:宇宙探秘网 点击:
“冰立方”中微子望远镜(IceCube)是一台设置在南极的中微子探测器,日前这台设备记录到迄今最高能级的一次中微子

深深埋入南极冰层下方的探测器日前记录到高能中微子震荡信号

 

  据英国《自然》杂志网站报道,“冰立方”中微子望远镜(IceCube)是一台设置在南极的中微子探测器,日前这台设备记录到迄今最高能级的一次中微子震荡事件。

  冰立方望远镜最初的设计目的是为了探测来自超新星或伽马射线暴等天体来源的中微子信号。然而现在这台设备却成了探测中微子震荡现象的利器。所谓中微子震荡是指这种亚原子粒子在飞行途中从一种类型转变为另一种类型的现象,对这一现象的研究现在是粒子物理学领域的热门话题。安德里亚斯·格罗斯(Andreas Gross)是一位来自德国慕尼黑工业大学的博士后,他是此次中微子震荡事件研究的主要研究者。他表示:“这是我们向粒子物理学界迈进的第一步。”

  尽管这一结果并不能算是一大惊喜,但研究人员们表示这些发现最终将帮助我们达成对中微子质量之谜的清晰认识。中微子有三种类别,被称为三种不同的“味”,研究人员相信他们最终将会了解这三种中微子中哪种是质量最轻的,哪种是最重的

  格罗斯于本周一在日本京都举行的第25届国际中微子物理与天体物理学会议上报告了这项发现的有关情况。在此次会议上,冰立方小组也是首次展示了他们在设备全部调试完毕之后获得的首批完整数据。这里的所有设备是在2010年12月份安装完毕的。

  格罗斯的研究展示了大气μ中微子经过震荡之后变成了τ中微子。弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)是美国威斯康辛大学麦迪逊分校的一位物理学家,同时也是冰立方探测器的首席科学家,据他表示,由于宇宙射线轰击地球大气粒子,平均每分钟地球大气中都会产生约300万亿个μ中微子。然而冰立方探测器每小时大约只能探测到其中的10个大气μ中微子。发生震荡的中微子能级一般是在10GeV~100 GeV之间,尤以30GeV能级附近的震荡信号最为强烈。

  尽管从μ子向τ子的震荡在此之前已经被利用加速器在较低能级条件下进行了模拟研究,但是此番在更高能级的条件下观察,发现其结果也的确在预料范围之内。这很容易符合理论预期的结果也证明了冰立方探测器的工作状态良好。加拿大安大略金斯敦皇后大学物理学家,正在加拿大境内苏伯里陨坑建设的SNO+中微子探测项目负责人马克·陈(Mark Chen)认为这项发现为人们提供了在更高能级下的新的验证。他说:“对模型和观察结果的检验总是一件好事。”

  在日本的超级神冈中微子探测器同样纪录到一些较小数量的高能震荡事件。然而,日本名古屋大学物理学家,超级神冈探测器项目组成员伊藤好孝指出,超级神冈探测器在10GeV能级以上范围内的能级分辨率已经非常低下,而在50 GeV能级以上时则已经根本无法辨别中微子震荡的能级,因此后者并不能作为冰立方探测器的结果佐证。

 

  地下的更深处

 

  冰立方是一台设立在南极冰雪之中的大型探测设备,其包括86台光电倍增管,相互间隔着埋藏在占地1平方公里的地域内,深埋冰雪之下1.4~2.4公里。当中微子与水分子发生相互作用时,会发出微弱的闪光,这种闪光会被光点倍增管捕捉,放大并触发电子信号。

  在大多数时候,冰立方项目的科学家们的主要工作是监测能级在1000 GeV以上的宇宙来源中微子。但为了开展中微子震荡的研究工作,他们必须在低能级范围内开展搜寻和观察工作,因为中微子发生震荡现象的比例是随着能级的上升而下降的。在数百GeV的能级以上,三种中微子发生的震荡现象就将变得极为罕见,使对它们的搜寻工作几乎变得毫无意义。因此在2009年,冰立方项目的研究人员们为这台设备安装了第一台补充设备。这是一种被称作“深度核心”(DeepCore)的设备,这一设备包括8台光电倍增管安装在一起并将其放置于最深,也最洁净的冰层之中,其可以精确测量能级在数十GeV至数百GeV的中微子震荡事件。

  目前冰立方项目组的科学家们正在商议增加第二台补充设备,即一台名为PINGU(相变冰立方下一代升级)的设备。它将合成更多数量的光电探测器,可以让冰立方对中微子震荡的探测敏感度提升至数个GeV的水平。在如此的低能级范围内,科学家们不但预期他们将可以捕捉到更多数量的中微子震荡事件,并且他们还期望能观察到中微子的“物质效应”。一般中微子的震荡现象发生于真空之中,而不是物质之中。之所以会发生“物质效应”,是因为电子中微子与物质内部的电子之间发生的相互作用,这种相互作用将会引起中微子有效质量的改变。对物质效应现象的观察或将有助于人们加深对中微子质量本质的理解,包括不同中微子之间的质量差异问题。

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