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日志

 
 

科技之谜:“追捕”神秘的中微子  

2008-02-25 18:45:10|  分类: 宇宙与原子 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    世界各国旷日持久的“追捕”中微子,能给人类带来什么好处呢?观测站为什么都必须建在厚厚的土石与岩层之下呢?“追捕”中微子就像在撒哈拉沙漠里找到某一粒特定的沙子?

    

    88岁的美国科学家雷蒙德·戴维斯与76岁的日本科学家小柴昌俊因为在中微子研究领域的突出贡献,于2002年10月获得了诺贝尔物理奖。

    

    旷日持久的“追捕”

    

    捕捉中微子的过程相当漫长。长期以来,科学家一直致力于捕捉中微子。有人说,中微子的探寻史如同原子物理中诸多发现一样,本身就是一段引人入胜的故事。1931年,奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利,通过大量的理论推理与计算作出了天才的预言:在我们的物质世界中存在中微子。他的预言25年后得到了实验的证实,1956年中微子被发现。1946年,意大利天才的物理学家布鲁诺·蓬泰科尔沃想出了捕捉这种神秘莫测的“幽灵”的方法。他曾在美国、英国工作过。1950年,他从英国的哈韦尔途经芬兰转移到苏联,继续自己的核物理研究。蓬泰科尔沃提出了根据粒子轨迹发现中微子的著名方法,其原理是:当中微子进入氯原子的原子核后,就会变成可探测到的放射性氩粒子。蓬泰科尔沃的方法多年之后才在技术上得以运用。

    

    目前,世界上存在着近十种不同的中微子探测器。具体说来,这些探测器就是一些极为复杂的工程设施。美国的科学实验室坐落在北达科他州的一个废弃金矿井中。正是在那里,科学家第一次成功地探测到由太阳放射出的中微子。当时雷蒙德·戴维斯刚刚五十出头。1977年,苏联的第一座中微子观测站开始运行。1987年2月24日,在与我们的银河系为邻的大麦哲伦云中,一颗引人瞩目的超新星出现了。天文学家第一次检测到来自这颗超新星的中微子。在此之前,人类最近一次观测到如此“近距离”的超新星爆发,已是400年前的事了。中微子作为超新星爆发的直接证据,首次被确定。天文学家期待着能够一睹这颗超新星爆发后残存的中子星的风采。

    

    日本的一台巨型探测器在1987年捕捉到了19个由超新星爆发时释放的中微子,领导这些研究的正是小柴昌俊。以日本和美国科学家组成的研究小组,在上述超新星爆发的前一天,即2月23日下午4时35分35秒至48秒之间,共捕捉到11个中微子,其中两个可以确定来自大麦哲伦云。他们利用的装置设在日本歧阜县神冈矿山1000米的地下,他们在那里设置了一个直径15.6米、高16米的圆桶形水槽,其中灌满了水,足有3000立方米之多,在水槽的内部,设置了直径50厘米的光电倍增管1000个,当中微子来临时,可观测到切连科夫光。在这个研究小组观测到中微子的同一时刻,美国设在阿尔班、密执安、布鲁克黑文的观测设施也捕捉到几个中微子,但观测精度不及神冈。这是天文学家第一次检测到来自这颗超新星的中微子。根据日美科学家小组在神冈捕捉到的中微子的数量、能量和到达地球的时间,日本东京大学副教授佐藤胜彦经过计算指出,这颗爆发的超新星的质量相当于太阳的15倍;被覆盖的星核的表面温度约300亿摄氏度;中微子的动能在25电子伏特以下。日美科学家在神冈的观测证实了这一结论。他们捕捉到的是在气体中形成的中微子。中微子由于受到电子的直接碰撞,其飞行方向是明确的,而反中微子受到原子核的吸引,放出正电子,其飞行方向不确定。由于原子核远大于电子,所以容易检测出反中微子。

    

    来自超新星的中微子

    

    与超新星的名称正相反,超新星是恒星末日的大爆炸,如果它与地球的距离与太阳相仿,那么它比太阳明亮几亿到几十亿倍。一颗超新星的亮度,会使恒星的庞大集团──银河系都黯然失色。尽管每年都发现几个超新星的记载,但这些超新星都属于遥远的星系,只有用天文望远镜才能看到。在最近1000年中,共有5颗属于银河系的超新星被发现,并留下了记录。中国《宋史》中记载的1054年的超新星便是其中之一,其残骸就是金牛座的蟹状星云。自1604年开普勒在蛇夫座发现一颗超新星以来,人类在近400年的光阴中一直没有再发现超新星。大麦哲伦云虽说属于别的星系,但距离银河系只有15光年,依宇宙尺度来看,已近在咫尺了。在大麦哲伦云中出现的这颗闪耀着红色光芒的超新星,光度曾增至 4倍,但这已比太阳明亮几千万倍了。这是自开普勒发现银河系超新星以来,人类在南半球能用肉眼看到的第一颗超新星。

    

    

如果超新星距太阳系再远一些,那么能捕捉到的中微子也就更少,有关超新星的信息就难以获得。大麦哲伦云似乎处于这一极限距离上。与太阳质量相仿的恒星,当内部的核聚变达到某一阶段时,就会燃烧殆尽,以致冷缩成一颗白矮星。今天的太阳直径是地球的许多倍,但一旦成为白矮星,其直径与地球就不相上下了。不过,质量是太阳8倍以上的恒星,其情况就迥然不同了。当这种恒星核心内的核反应进行到一定限度,由于核聚变,其核心就会逐渐积累重元素,与此同时温度逐渐上升,达到数十亿摄氏度后,重元素全部转变成铁,而铁不再是核反应的燃料,核反应到此结束。

    

    由铁元素构成的星核因为本身的重力而收缩,致使温度进一步升高,造成往来突奔的光子的能量骤增,终于将铁元素击毁。铁元素分解后变成氦元素,并进一步分解成质子和中子。质子和电子又转化为中子。由于铁元素在转化成氦元素时是吸热反应,恒星的核心转瞬间就塌缩了。恒星的铁“心脏”一下子土崩瓦解。在这个过程中产生了大量的中微子。有人以为中微子就是这样携带着能量逃之夭夭的,情况似乎并非这么简单。据美国劳伦斯利巴莫研究所的科学家威尔逊等人的最新理论,中微子并不容易逃逸,只是在“拥挤不堪”时才向外“溢出”,形成爆炸能,扫除了超新星周围的气体,这场冲击波同时加热了气体,于是又制造出大量的中微子与反中微子。

    

    总之,中微子是超新星爆发的直接证据是没有疑问的。中微子将超新星爆发时能量的99%席卷而去,气体的亮度和高速膨胀的能量,只占超新星爆发能量的1%。

    

    全球努力张网捕捉

    

    在加拿大的安大略省,一座中微子观测站不久前投入使用,其规模之大令人称奇。整个工程耗时8年。100名专家负责这座相当于10层楼高的地下建筑的运营。科学设备放置在地下2公里深处。

    

    意大利则在格朗萨隧道里安放了自己的地下探测器。为什么这些观测站都必须建在厚厚的土石与岩层之下呢?原因很简单,土壤能够阻挡除了中微子之外的所有粒子。因此,只有中微子可能“造访”探测器。在数以万亿计的粒子中,能够被探测到的只是个别粒子。而冰与水可以用作中微子的天然拦截器。在南极洲,研究人员在永冻冰层上垂直钻孔,将探测器放入其中,然后将水倒入孔中,小孔很快就会冻结。同样的设备也被放入俄罗斯贝加尔湖深处。科学家还计划将另一个探测器放入希腊附近的地中海中。

    

    与世界上许多国家一样,俄罗斯也在积极开展中微子研究。位于厄尔布鲁士附近的安德尔奇山地下深处的高加索巴克桑中微子观测站则对这一研究起了重要作用。这里的几位科研人员本来可以与戴维斯和小柴昌俊一同分享今年的诺贝尔物理奖。

    

    苏联从20世纪60年代初开始选择地下观测站地址,合适地点应该位于非地震区,拥有充足的电力资源与道路设施。此外,岩层不能有太强的放射性,最后一个条件使得煤矿矿井从各候选地址中脱颖而出,而且矿井中也有大量的尘土。最后,地点选在了北高家索山麓。科学家们决定沿水平方向挖出一条隧道,直通卡巴尔达─巴尔卡尔共和国安德尔奇山脉的地下深处。

    

    这项工程于1967年开工。施工时使用了特殊的材料。众所周知,普通的砾石、花岗岩、大理石本身都有微弱的放射性。虽然对人体无害,然而捕捉中微子的设备却不能受到其他粒子的任何影响。科学家从乌拉尔运来最为古老、放射性极低的岩块,用来制作混凝土。十年后,也就是1977年,观测站的第一个地下实验室开始工作。它距离山脚500米。大厅十分宽敞,面积相当于两个室内网球场。俄罗斯科学院院士、核研究所中微子天体物理室主任格奥尔基·季莫费耶维奇·扎采平说,他打算很快再次前往巴克桑中微子观测站。安德尔奇山内部能明显地感觉到地热,如果没有通风设备,空气能升到40摄氏度。观测站就像一个神奇的中继站———宇宙深处与地球地核之间的中继站。这里,人们对宇宙中的神秘幽灵的追踪还将继续下去。一台装有3200个探测器的地下望远镜占据了整个大厅。接下来,在距入口3.5公里的隧道最深处(此处的山高为1270米)摆放着镓锗中微子望远镜。它的工作原理是:当中微子与液态金属镓原子发生作用时,就会形成放射性锗,我们就能把它记录下来。望远镜的安装工作于1987年完成。在这里,科学家第一次探测到太阳内部深处发出的完整粒子流。可以说,这是世界科学史上的重大事件。这次实验是与美国科学家共同完成的。

    

    从超新星到中子星、脉冲星

    

    已知超新星有两种类型。亮度大而急剧变暗的是Ⅰ型;缓慢变暗的是Ⅱ型。大质量恒星的超新星爆发是Ⅱ型,令人费解的是,椭圆星系中出现的超新星都是Ⅰ型。由于构成太阳系椭圆星系的都是衰老而质量大的恒星,所以可以认为Ⅰ型超新星是太阳一类恒星的垂死时期。衰变为白矮星的恒星在变成超新星时,通常都形成双星。构成双星之一的巨星由于膨胀,大量气体注入白矮星。由于气体的积累,白矮星被压缩,中心温度急剧上升,使已停止的核反应重新开始。核反应如此激烈,以致使整个星体炸为碎片。据专家分析,1604年开普勒观测到的超新星便是Ⅰ型超新星。

    

    

Ⅰ型和Ⅱ型超新星可根据分析气体光谱区别开。在Ⅱ型超新星气体光谱中,可看到很亮的氢气辉线。大麦哲伦云中的超新星是Ⅱ型超新星。据研究,Ⅱ型超新星的残骸是中子星或是黑洞。从观测到的超新星的质量看来,它似乎会成为一颗中子星。根据γ射线和χ射线,以及电磁波的观测,就能确定它的存在,旋转着的中子星会像洒水车一样向周围辐射电磁波,此时它便是一颗脉冲星。

    

    曾因著述《1、2、3……无限大》、《不可思议的国家──托木金斯》等科学启蒙书而名闻遐迩的美国物理学家乔治·卡莫夫(生于俄国),早在1941年就认为,由于中微子带走了恒星的能量,导致恒星的溃灭和超新星的爆发,他称这为“乌尔加过程”。“乌尔加”是南美洲一家著名的赌场的名字,赌客在这里时常在不长时间里就输得一文不名,卡莫夫以此来比喻中微子是如何在转瞬间带走了恒星的能量。

    

    寻找撒哈拉沙漠一粒特殊的沙子

    

    在奥地利著名科学家泡利预言中微子的存在25年后,人类就在1956年发现了中微子。他的先见之明为人类开拓了一条新的探索未知世界的道路,而预言过宇宙初始大爆炸的余热背景辐射的卡莫夫同样是令人敬佩的。过去科学家对中微子的质量是否存在心存疑惑,现在中微子的质量基本得到确认。

    

    科学家在巴克桑观测站捕捉到的中微子非常少。试想一下,盛有50吨液态镓的巨桶,整整一个月只能记录到几十个锗原子。要找到这些原子──这就像在撒哈拉沙漠里找到某一粒特定的沙子。要找到锗原子,需要在50吨液镓中排查无数原子。实际上,在大山内部深处有一家化工厂,工厂里进行着特殊的分析,一天24小时地筛查着50吨液态金属。科学家们没有太多的时间,因为单个的放射性锗原子会迅速衰变。

    

    世界各国对中微子的研究开展得十分广泛,这能给人类带来什么好处呢?科学家认为未来几年就会有惊人的发现。今天,这些研究能让我们更好地了解太阳是怎样工作的,自由穿行于宇宙空间、星系、行星的中微子流,能够传递超新星与宇宙深处未知情况的独特信息。将来的发现可能会帮助我们揭开宇宙形成的奥秘。(沈英甲)

    

    小词典

    

    中微子在宇宙中大量存在,每秒钟穿过人体的中微子多达几万亿个。然而,要发现并捕获它们却异常困难,因为它们形同幽灵,来无影去无踪。

    

    中微子是一种神秘的宇宙粒子,具有不可思议的极强的穿透能力,能够自由地穿过墙壁、山脉、甚至地球与其他行星。物理学家估计,中微子能够自由穿透厚度比地球到太阳的距离还高出几十亿倍的铁板。如果有数光年厚的一个铅做成的壁垒的话,中微子也能从容穿过。

    

    自由穿行于宇宙空间、星系、行星的中微子流,能够传递超新星与宇宙深处未知情况的独特信息。将来的发现可能会帮助我们揭开宇宙形成的奥秘。

    

    转自:人民网

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