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科技日报:中微子:“隐”得科学狂(110904)
时间 : 2011-09-04     

中微子是构成物质世界的基本粒子之一。粒子物理的研究结果表明,构成物质世界的最基本粒子有12种,包括6种夸克、3种带电轻子(电子、μ子、τ子)和3种中微子(电子中微子、μ中微子、τ中微子)。它与宇宙同生,起源于137亿年前的大爆炸,存在于宇宙的每个角落,每立方厘米就有300个它的个体,在地球一平方厘米的地面上,每秒钟就会落下大约10万亿个中微子。

 

■新闻缘起

8月15日,位于广东大亚湾核电站内的大亚湾反应堆中微子实验装置经过4年建造,在地下100米深、距反应堆仅360米的近点实验大厅内安装的两个中微子探测器已经探测到来自核电站反应堆群的中微子。这标志着大亚湾国际合作组对中微子第三种振荡模式的测量迈出了第一步,实验结果很可能会对宇宙中为什么物质多于反物质提供线索。

它曾在灾难片《2012》里出演世界末日“最佳灾难制造者”:末日到来之时,太阳活动异常,它奔向地球,将地核像微波炉一样加热,于是火山爆发,海啸、地震、洪水将都市像玩具一样搅成碎片。

它的神秘形踪让粒子物理学家们为之疯狂,它的每一次现身总是能在国际物理乃至整个科学界引起轩然大波。1988年、1995年、2002年,“看”到它的幸运儿们一次又一次地获得诺贝尔奖。

当它首次进入人们的视野时,物理学“大厦”面临着“根基”——“能量守恒定律”被推翻的威胁。科学家们就此提出了它的存在,26年之后,人们终于发现了它。现在对它的研究目的更是不断升级,例如,反物质存在与否,宇宙如何演化至今,未来宇宙何去何从,这些困扰人类数千年的问题,将从它的身上一一得到答案,每个谜底都有可能改变我们对微观世界和宇宙的看法。

2011年8月15日,它现身于我国大亚湾核电站,与我国科学家有了第一次亲密接触。国际目光再次聚焦:它就是中微子。今天,《共享科学》将为您揭开它的神秘面纱。

 

中微子监测核武器制造

中微子会伴随大多数粒子物理和核物理反应产生。一般的核反应堆进行发电用途时,同步产生的中微子流量是稳定的。现在绝大部分商用反应堆为压水堆或沸水堆,初始核燃料为浓缩度较低的铀,在运行过程中将增殖出“钚”。如果将核废料中的钚提纯,可以作为核武器原料。当利用核反应堆提取核武器原料“钚”时,产生的中微子流量会出现上升,因此,通过中微子探测器发出的信号,可以监测是否有制造核武器的可能。

中科院高能物理研究所实验物理中心研究员曹俊,向记者介绍了这种想法在实际中的应用。为了监测核反应堆有否制造核武器,国际原子能机构支持法国、美国、俄罗斯、日本、意大利、巴西的几个小组,利用中微子探测器对商用反应堆进行非增殖监测,即当钚从堆内换走后,在相同热功率下会使平稳散出的中微子产额增加,出现数据的波动。当中微子探测器的信号显示核反应堆的中微子数据上升时,则核反应堆正在提取核武器原料钚。值得一提的是,大亚湾实验的近点探测器设计精度高,统计量大,将能够提高中微子流强的计算精度,从而提高非增殖探测器的监测能力。

 

中微子“隐”得有一套

中微子一身“武功绝学”,无论是“穿墙术”“缩骨功”,还是“凌波微步”,它绝对是集大成者。但这位大侠却是“出淤不染”,跟一般物质都不打交道,极难让其露面。那大侠要怎样才肯现身呢?

第一,要选择中微子流量巨大的地方实验。要想进行高精度测量,必须在探测器中捕捉到足够多的中微子,但中微子极难探测,即使用几百甚至几万吨的探测器,也只能捕捉到极少数中微子。中微子流量越大,仪器探测到的中微子自然也越多,实验精度就越高。核电站是一个很好的选择。例如,大亚湾4个核反应堆每秒释放2.3×1021个中微子。这些中微子各向同性地飞离反应堆。距反应堆约2000米处有效质量为80吨的中微子探测器,每天能探测到约400个中微子。

第二,中微子实验必须干净地排除宇宙线带来的干扰。自然界的宇宙线量多,且会在中微子探测器中形成假信号。连绵不断的山丘可以屏蔽大量宇宙线。地表的宇宙线流强约为200Hz/m2。在大亚湾最深的远点实验厅(350米深),宇宙线经过山的屏蔽,降为0.04Hz/m2,降低了5000倍。再通过高效率的宇宙线探测器主动地排除本底,大亚湾实验只有1%的宇宙线进入中微子探测器。如果没有山屏蔽和宇宙线探测器,宇宙线将比现在多10万倍。

看来,不得不承认,中微子“隐”得有一套,想一探其真面目,真是难于上青天。

 

中微子的“中国缘”

2003年,国际上准备测量中微子的一个重要参数θ13(西塔一三)。中科院高能所利用大亚湾核电站优越的地理环境,提出的实验方案可以达到世界上的最高精度,在8个方案中脱颖而出。2005年4月,以“中微子振荡与反应堆中微子实验”为主题的第250次香山科学会议上,来自大陆、香港和美国的高等院校与研究院所的36名相关物理学家就“我国应该发展中微子物理”达成共识,认为“反应堆中微子实验是中国发展中微子物理的独特机遇”。曹俊说,在未来相当长的一段时间内,中微子将仍是粒子物理的前沿热点之一,有可能会产生几个诺贝尔奖。

 

■中微子科幻

专家还向记者介绍了下面两则有趣的中微子科幻——

 

科幻一:中微子通信无界

中微子具有极强的“隐身”本领。它无声无息,几乎可以不留痕迹地穿透所有的物质,也几乎不和任何物质发生反应,不被任何物质吸收或偏转,可以从产生地以光速沿着直线飞出去,并且也能和地球相遇。无论是白天或是黑夜,它们都可以毫无阻挡地穿过地球。

中微子这种本领可以用来作通信用途,使信息可以直穿地球甚至穿越宇宙实现星际通信。由于地球是球面,加上表面建筑物、地形的遮挡,现在我们移动通信方式需要通过通信卫星和地面站传递信号,使电磁波远距离传输成功。但中微子可以让通信无界限,直接穿透地球或者宇宙,将自身携带的信息传输到接收端。中微子在穿过地球时损耗很小,用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减1‰,因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制,就可以使其包含有用信息,在地球上任意两点进行通信联系。中微子通信还具有保密性好的特点。由于中微子难于捕捉,信号损失少且不易被改变,可以实现通信保密、安全、有效。

 

科幻二:中微子让我们看“地心”

中微子还有可能用于地球断层扫描,进入我们无法触及的地球深部。加利福尼亚处在断层线上,在给加利福尼亚带来100年一次的地震,每次地震摧毁约250亿美元的财富。然而断层所形成的山脉,使得这一地区上空的太平洋的暖流和陆地气流的交汇,形成了充沛的雨量,成为美国最富饶的农业区。这个事例让我们对地球断层带进行扫描与研究的意义窥见一斑。断层带还有可能发现石油、稀有矿物等珍贵矿产资源。对地球断层进行扫描,可以让人类对地球的构造、资源勘探有更深的认识与了解,同时让地震预报成为现实。中微子自备的“穿墙术”让我们不禁遐想,中微子可不可以用来扫描地球断层?

 

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/cmsm/201109/t20110904_3331823.html