纯水在中微子探测中的突破:确保核不扩散的一把好手

纯水在中微子探测中的突破:确保核不扩散的一把好手SNO探测器内部充满水时的景象。在背景中,有9000个检测光子的光电倍增管和(现在)容纳液体闪烁剂的丙烯酸容器。当添加闪烁剂时,外面纵横交错的绳索将其压住,防止其向上漂浮。丙烯酸容器有12米宽,大约是一个奥林匹克大小的游泳池的一半。该探测器位于SNOLAB,这是一个位于加拿大萨德伯里附近地下2公里的研究设施。资料来源:SNO+合作项目)被称为萨德伯里中微子观测(SNO+)的国际合作实验位于安大略省萨德伯里的一个矿区,距离最近的核反应堆大约240公里(约149.13英里),它利用纯水检测到了被称为反中微子的亚原子粒子。克莱因指出,之前的实验是用液体闪烁计数器来做的,这是一种类似油的介质,当电子或质子等带电粒子通过它时会产生大量的光。"鉴于探测器需要在240公里外,大约是纽约州长度的一半,远离反应堆,需要大量的闪烁体,这可能是非常昂贵的,"克莱因说。"因此,我们的工作表明,可以建造非常大的探测器,只用水就可以做到这一点。"什么是中微子和反中微子克莱因解释说,中微子和反中微子是微小的亚原子粒子,是宇宙中最丰富的粒子,被认为是物质的基本组成部分,但科学家们一直难以探测到它们,因为它们与其他物质的相互作用稀少,而且它们不能被屏蔽,这意味着它们可以穿过任何和一切。但这并不意味着它们是有害的或放射性的,事实上,每秒钟有近100万亿个中微子通过我们的身体而不被注意。然而,这些特性也使得这些难以捉摸的粒子对于理解一系列的物理现象非常有用,比如宇宙的形成和对遥远的天体的研究,而且它们"有实际的应用,因为它们可以被用来监测核反应堆,并有可能探测到秘密的核活动,"克莱因说。它们从哪里来虽然中微子通常由高能量反应产生,如恒星中的核反应,如太阳中的氢气聚变为氦气,其中质子和其他粒子碰撞并释放中微子作为副产品,但反中微子通常由人工产生。"例如,核反应堆,为了分裂原子核,产生反中微子,作为反应的放射性β衰变的结果,"他说。"因此,核反应堆产生大量的反中微子,使其成为研究反中微子的理想来源"。"通过测量反应堆的反中微子来监测反应堆,可以告诉我们它们是开还是关,"克莱因说,"甚至可能是它们在燃烧什么核燃料。"克莱因解释说,因此可以远距离对一个外国的反应堆进行监测,以了解该国是否正在从一个发电反应堆转换为一个正在制造武器级材料的反应堆。仅用水进行评估意味着可以建造一系列大型但廉价的反应堆,以确保一个国家遵守其在核武器条约中的承诺,例如;这是确保核不扩散的一个把手。为什么以前没有这样做"反应堆反中微子的能量非常低,因此探测器必须非常干净,甚至没有微量的放射性,"克莱因说。"此外,探测器必须能够在足够低的阈值下'触发',以便能够检测到这些事件。"他说,对于一个远达240公里的反应堆来说,反应堆至少包含1000吨水是特别重要的。SNO+满足所有这些标准。引领潮流Klein认为他的前学员TannerKaptanglu和LoganLebanowski是这项工作的带头人。虽然这一测量的想法构成了Kaptanglu博士论文的一部分,但Lebanowski,一位前博士后研究员,负责监督这一操作。"与我们这里的仪器组一起,我们设计并建造了所有的数据采集电子装置,并开发了探测器的'触发'系统,这使得SNO+的能量阈值低到足以探测到反应堆反中微子。"...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353013.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1353013.htm

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科学家为DUNE中微子实验在地下深处挖掘巨型洞穴建筑工人为费米实验室(Fermilab)主持的"深层地下中微子实验"的巨型粒子探测器模块建造了两个巨大的洞穴,每个洞穴长500多英尺,高约七层楼。第三个洞穴将为探测器的运行提供公用设施。资料来源:马修-卡普斯特,桑福德地下研究设施在美国能源部费米国家加速器实验室的主持下,DUNE的科学家们将研究被称为中微子的神秘粒子的行为,以解决有关我们宇宙的一些最大的问题。为什么我们的宇宙由物质组成?爆炸的恒星是如何产生黑洞的?中微子是否与暗物质或其他未被发现的粒子有关?岩洞为四个大型中微子探测器提供了空间-每个探测器的大小与一座七层楼高的建筑差不多(见下面2分钟的动画)。这些探测器将充满液态氩,记录中微子与透明液体之间的罕见相互作用。DUNE将帮助人们更清晰地了解宇宙及其运作方式。DUNE的科学家将追求三大科学目标:找出中微子是否可能是宇宙由物质构成的原因;寻找有助于实现爱因斯坦力的统一梦想的亚原子现象;观察从爆炸的恒星中出现的中微子,也许会见证中子星或黑洞的诞生。每秒钟都有数万亿的中微子在我们体内穿行,而我们却浑然不知。通过DUNE,科学家们将寻找来自恒星爆炸的中微子,并检查位于芝加哥附近、地下洞穴以东约800英里的费米实验室产生的中微子束的行为。这束由世界上强度最大的中微子源产生的中微子将直接穿过地球和岩石,从费米实验室到达位于南达科他州的DUNE探测器。中微子的路径不需要任何隧道。美国项目总监克里斯-莫西(ChrisMossey)说:"完成这些巨大岩洞的挖掘是这个项目的一项重大成就。完成这一步骤为今年晚些时候开始安装探测器做好了准备,使我们朝着实现将这一世界级地下设施变为现实的愿景又迈进了一步"。一台输送机将近80万吨从地下一英里处挖掘出的岩石送入南达科他州利德的露天采矿场。资料来源:斯蒂芬-肯尼,桑福德地下研究机构自2021年以来,工程、施工和挖掘团队一直在桑福德地下研究设施(DUNE南达科他州部分的所在地)地表以下4,850英尺处工作。施工人员拆卸了重型采矿设备,并利用现有的竖井将其逐件运到地下。在地下,工人们重新组装设备,并花了近两年的时间爆破和清除岩石。近80万吨岩石被挖掘出来,并从地下运到地面上被称为"露天采矿场"的广阔的前采矿区。工人们将很快开始为岩洞安装DUNE探测器和研究设施日常运行所需的系统。今年晚些时候,项目团队计划开始安装保温钢结构,以容纳第一个中微子探测器。目标是在2028年底之前让第一个探测器投入使用。鸟瞰南达科他州的一个大型岩洞,大约有七层楼那么高。地下深层中微子实验(DeepUndergroundNeutrinoExperiment)的大型粒子探测器将放置在这里,以研究中微子的行为。DUNE探测器有望成为世界上最大的地下低温系统。资料来源:马修-卡普斯特,桑福德地下研究设施"三个大型岩洞和所有相互连接的掘进巷道的完工标志着一次真正意义上的大型挖掘工作的结束。挖掘承包商保持了堪称典范的安全记录,工作时间超过一百万小时,没有发生一起误工事故。"费米实验室的迈克尔-杰梅里(MichaelGemelli)说:"这在重型建筑行业是一项重大成就。"该项目这一阶段的成功要归功于挖掘工人安全、专注的工作,以及项目工程师和支持人员的多学科背景。对于这个国际项目来说,这是一个了不起的成就和里程碑"。DUNE的科学家们迫不及待地开始安装粒子探测器。由来自36个国家200多个机构的1400多名科学家和工程师组成的DUNE合作小组已经成功地测试了第一个探测器的技术和组装过程。其组件的批量生产已经开始。目前正在欧洲核子研究中心(CERN)实验室利用粒子束对两个探测器的基础技术进行测试。编译来源:ScitechDaily...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1416639.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1416639.htm

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物理学家首次探测到由粒子对撞机制造的亚原子中微子这种粒子在1956年首次被发现,并在使恒星燃烧的过程中发挥了关键作用。这一发现有望帮助物理学家了解宇宙中最丰富的粒子的性质。这项工作还可以揭示出宇宙中微子的情况,这些中微子会长途跋涉并与地球发生碰撞,为了解宇宙的遥远部分提供了一个窗口。这是"前向搜索实验"(FASER)的最新成果,这是一个由国际物理学家小组设计和建造的粒子探测器,安装在瑞士日内瓦的欧洲核子研究理事会(CERN)。在那里,FASER检测由欧洲核子研究中心的大型强子对撞机产生的粒子。加州大学欧文分校粒子物理学家和FASER合作项目共同发言人乔纳森-冯(JonathanFeng)说:"我们从一个全新的来源--粒子对撞机当中发现了中微子,在那里你有两束粒子以极高的能量砸在一起。"他发起了这个项目,UCI和21个合作机构的80多名研究人员参与其中。FASER粒子探测器位于欧洲核子研究中心大型强子对撞机的地下深处,大部分是用欧洲核子研究中心其他实验的备件建造的。信用:照片由欧洲核子研究中心提供欧洲核子研究中心的粒子物理学家布莱恩-彼得森周日代表FASER在意大利举行的第57届RencontresdeMoriond弱电相互作用和统一理论会议上宣布了这些结果。中微子是由已故UCI物理学家和诺贝尔奖得主FrederickReines在近70年前共同发现的,是宇宙中最丰富的粒子,"对建立粒子物理学的标准模型非常重要,"FASER联合发言人JamieBoyd说。"但是在对撞机上产生的中微子从未被实验所探测到。"自从Reines和UCI物理学和天文学教授HankSobel等人的开创性工作以来,物理学家研究的大多数中微子都是低能量的中微子。但是FASER检测到的中微子是在实验室中产生的最高能量的中微子,与深空粒子在我们的大气层中引发巨大的粒子雨时发现的中微子相似。Boyd说:"它们能以我们无法了解的方式告诉我们关于深空的情况。大型强子对撞机中的这些非常高能量的中微子对于理解粒子天体物理学中真正令人兴奋的观察结果非常重要。"FASER本身在粒子探测实验中是新的和独特的。与欧洲核子研究中心的其他探测器相比,如ATLAS,它有几层楼高,重达数千吨,而FASER大约只有一吨,可以整齐地放在欧洲核子研究中心的一个小侧隧道内。而且,它只花了几年时间就利用其他实验的备件进行设计和建造。UCI实验物理学家戴夫-卡斯帕说:"中微子是大型强子对撞机上更大的实验无法直接探测到的唯一已知粒子,所以FASER的成功观测意味着对撞机的全部物理学潜力终于被开发出来了。"除了中微子,FASER的另一个主要目标是帮助识别构成暗物质的粒子,物理学家认为暗物质包括宇宙中的大部分物质,但他们从未直接观察到。FASER尚未发现暗物质的迹象,但随着大型强子对撞机将在几个月后开始新一轮的粒子对撞,该探测器已经准备好记录任何出现的暗物质。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1350507.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1350507.htm

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揭开质子的神秘面纱 中微子实验带来突破性的结果

揭开质子的神秘面纱中微子实验带来突破性的结果因此,科学家必须借助于实验方法来确定它们的结构。中微子实验利用由许多质子和中子结合在一起的原子核组成的目标,这使得从这些测量中推断出有关质子结构的信息变得很困难。通过从MINERvA探测器中作为氢原子核的质子散射中微子,科学家们首次提供了使用非结合质子的中微子对这种结构的测量。研究人员正在建造几个大型中微子实验,包括DUNE和桑福德地下研究设施。这些实验将有助于对中微子的特性进行精确测量。这反过来将回答关于中微子如何影响我们宇宙结构的问题。这些实验需要准确了解中微子如何与实验中的重核相互作用,例如DUNE中的氩。建立这些相互作用的理论需要将中微子与质子或中子的散射效应和核内结合的效应分开。通过测量自由质子的这一特性,MINERvA的结果将有助于建立更完整的中微子相互作用理论。这项新研究中描述的测量的主要挑战是,MINERvA的探测器中的氢在化学上与碳原子一半一半地混合在塑料中。碳原子中有六个质子,所以碳背景反应要大得多。通过开发一种新的技术来测量反应中的出射中子的方向,质子上的反μ子中微子产生反μ子和中子,研究人员可以将这两种反应类型分开。这样就可以利用中微子束中相同的平行反应来研究残余背景,在氢原子上不可能发生反应。这种结构的测量被解释为质子的轴向矢量形式因子,这是中微子散射所揭示的结构的一个技术术语,这样它就可以被用作预测中微子反应的输入。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1355909.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1355909.htm

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洛克希德-马丁公司被选中建造核动力深空探测器

洛克希德-马丁公司被选中建造核动力深空探测器JETSON航天器的艺术家概念图图/洛克希德-马丁随着越来越多的太空任务延伸到太阳系内部之外,任务持续时间也从数年延长到数十年,要找到为这些航天器提供动力和推进的方法,就必须跳出固有的思维模式。60多年来,化学火箭和太阳能电池板为航天工程师们提供了良好的服务,但在太空时代开始时,这些设备的运行已经接近其理论极限,而前往木星的任务也是它们所能达到的极限。任何超越木星轨道的任务都必须依靠某种形式的核动力来运行其系统,而该区域的化学火箭只能通过限制有效载荷和使用复杂的弹弓轨道来提高到达目的地所需的速度,从而推动航天器。洛克希德公司与SpaceNuclearPowerCorp(SpaceNukes)和BWXTechnologies,Inc.(BWXT)合作开发的JETSON迄今已进入初步设计阶段,如果获得批准,还将进行关键设计审查。其目标是将核裂变反应堆与洛克希德公司LM2100卫星上使用的电力推进霍尔推进器结合起来。按照目前的形式,JETSON航天器由探测器箱内的反应堆和后面的散热器组成。从这里伸出一个吊杆,使电子设备和霍尔推进器尽可能远离放射性电源。该反应堆基于NASA和美国能源部2018年的"使用斯特林技术的千功率反应堆"(KRUSTY)示范项目,使用直径为6英寸(15厘米)的固态铸造铀235堆芯作为燃料,堆芯周围有一个氧化铍反射器。一根碳化硼棒启动和停止反应堆,而反射器则捕捉逸出的中子并将它们弹回堆芯。为了安全起见,反应堆一直处于关闭状态,直到航天器进入安全轨道后才会启动。一旦开始运行,反应堆产生的热量将被用于为一组斯特林热机提供动力,斯特林热机通过在封闭循环中压缩和膨胀气体来工作。这样可产生高达20kWe的功率,是目前航天器太阳能电池板功率的三倍多。这不仅能大大延长深空探测器的寿命,还能为霍尔推进器提供动力,霍尔推进器能缓慢而稳定地将航天器加速到足以逃离太阳系的速度,或让探测器访问各种潜在目标。洛克希德-马丁公司的JETSON项目经理兼首席研究员巴里-迈尔斯(BarryMiles)说:"太空应用核裂变技术的开发是引进技术的关键,这些技术将极大地改变我们在浩瀚太空中的移动和探索方式。从大功率电力子系统和电力推进,到核热推进或裂变表面动力,洛克希德-马丁公司正专注于与我们重要的政府机构和行业合作伙伴共同开发这些系统"。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396485.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1396485.htm

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天文学家探测到来自拥有巨大黑洞的银河系邻居的"幽灵"粒子

天文学家探测到来自拥有巨大黑洞的银河系邻居的"幽灵"粒子尽管在地球上探测到的这些被恰当地命名为"幽灵"的粒子大多来自太阳或我们自己的大气层,但有些中微子来自宇宙,远远超出了我们的银河系。这些中微子被称为天体物理学中微子,可以为了解宇宙中一些最强大的天体提供有价值的信息。一个国际科学家团队首次发现了从鲸鱼座NGC1068星系中发出的高能天体中微子的证据。这次探测是由冰立方中微子观测站进行的。这个重达10亿吨的中微子望远镜由科学仪器和冰组成,位于南极地表下1.5-2.5公里(0.9至1.2英里)处。美国国家科学基金会(NSF)为冰立方中微子观测站(IceCubeNeutrinoObservatory)提供了主要资金,威斯康星大学麦迪逊分校是牵头机构,负责该探测器的维护和运营。本月发表在《科学》杂志上的这些新结果,是在威斯康星州发现研究所的一次演讲中分享的。"一个中微子可以单挑出一个来源。但是只有用多个中微子进行观测,才能揭示出最有能量的宇宙物体被遮蔽的核心,"威斯康星大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方项目的主要研究人员FrancisHalzen说。"冰立方已经从NGC1068积累了大约80个太电子伏特能量的中微子,这些中微子还不足以回答我们所有的问题,但它们绝对是实现中微子天文学的下一个重要步骤。"冰立方由国际冰立方合作组织管理,该组织由来自世界各地58个机构的350多名科学家组成。威斯康星州冰立方粒子天体物理中心(WIPAC)是华盛顿大学麦迪逊分校的一个研究中心,是冰立方项目的牵头机构。WIPAC负责冰立方中微子观测站的维护和运行,包括确保探测器昼夜运行。该天文台通过微小的蓝光闪烁来探测中微子,这些蓝光被称为切伦科夫光,当中微子与冰中的分子相互作用时产生。在47光年的距离内,螺旋星系NGC1068是我们银河系的一个相对近的邻居。资料来源:NASA/ESA/A.vanderHoeven在WIPAC,一个由科学家、技术和支持人员组成的多元化团队使数据为科学服务,使冰立方的科学家能够进行广泛的调查。WIPAC团队为冰立方前十年的数据提供了一个新的版本,它使用了明显改进的探测器校准。这个卓越的数据集为确定NGC1068是一个中微子源做出了贡献。"几年前,NSF启动了一个雄心勃勃的项目,通过将光学和射电天文学的既定能力与探测和测量中微子和引力波等现象的新能力相结合,扩大我们对宇宙的了解,"NSF物理部主任DeniseCaldwell说。"冰立方中微子天文台将一个邻近的星系确定为中微子的宇宙源,这只是这个令人激动的新领域的开始,它有望深入了解大质量黑洞的未被发现的力量和宇宙的其他基本属性。"NGC1068星系也被称为Messier77,是迄今为止人们最熟悉和研究最深入的星系之一。这个星系位于4700万光年之外--从天文学的角度来看很近--用一副大型双筒望远镜就可以观察到。与我们的母星系银河系一样,NGC1068也是一个条形螺旋星系,有松散的旋臂和一个相对较小的中央隆起。然而,与银河系不同的是,NGC1068是一个活跃的星系,其中大部分辐射不是由恒星产生的,而是由落入黑洞的物质产生的,其质量比我们的太阳大几百万倍,甚至比银河系中心的非活跃黑洞还要大。从NGC1068方向探测到的大约80个过量的中微子是在改进分析技术和重新处理数据之后发现的--这项工作由WIPAC的冰立方研究人员领导。在冰立方看到的揭示中微子相互作用的模型采用了新的计算技术,可以更好地测量每个中微子的传入方向,以及通过机器学习对中微子能量进行更准确的测量。佐治亚理工学院的物理学教授、冰立方合作组织的发言人IgnacioTaboada表示,这一最新结果与之前在2020年发表的关于NGC1068的研究相比有了很大的改进。Taboada说:"这种改进部分来自于增强的技术,部分来自于对探测器校准的精度升级。探测器操作和校准团队的工作使得更好的中微子定向重建能够精确地定位NGC1068并实现这一观测。"华盛顿大学麦迪逊分校的物理学教授AlbrechtKarle正在领导升级目前的冰立方观测站的工作,他说NGC1068的探测对中微子天文学的未来来说是"好消息"。这意味着有了新一代更敏感的探测器,将会有很多东西可以发现。他还在领导开发下一代中微子观测站,作为南极现有设施的延伸和技术升级而建造。Karle说:"未来的第二代IceCube-Gen2观测站不仅可以探测到更多的这些极端粒子加速器,而且还可以在更高的能量下研究它们。"在探测到来自NGC1068的几十个中微子之前,冰立方的科学家们已经报告了对一个高能天体物理中微子源的首次观测。该源是TXS0506+056,一个位于猎户座左肩外的约40亿光年外的炽热星体。NGC1068的观测结果表明,还有更多的天体中微子源有待于发现。"冰立方之前已经发现宇宙中的中微子在发光,而这种发光的来源一直是一个令人兴奋的谜,"华盛顿大学麦迪逊分校的物理学教授、冰立方的成员贾斯汀-范登布洛克说。"NGC1068提供了这一难题的一个关键部分,但只能解释总信号的大约百分之一。一定还有许多其他的中微子源,而且很可能还有其他类型的源,等待我们去发现。"揭开被遮蔽的宇宙的面纱才刚刚开始,中微子将引领天文学的一个新的发现时代。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1333055.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1333055.htm

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大型强子对撞机实验检测到第一个“人造”中微子中微子是宇宙中最丰富的粒子之一,但这些游荡的宇宙粒子与传统物质发生相互作用的可能性极低。据参与新实验的研究人员克里斯托瓦奥-维莱拉(CristovaoVilela)说,在大型强子对撞机这样的质子对撞机中也会"大量"产生中微子。虽然这些中微子以前从未被直接观测到过,但名为FASER(前向搜索实验)和SND(散射和中微子探测器)@LHC的实验采用了两种不同的方法,成功地观测到了这些中微子。FASER合作是一项重要的研究工作,旨在观测轻粒子和中微子等弱相互作用粒子。相比之下,SND@LHC则专门针对中微子,采用的探测器战略性地安装在大型强子对撞机内预计会出现高中微子通量的位置。FASER是首个探测源自大型强子对撞机的中微子的实验。最近发表的一项研究报告称,FASER的研究人员利用一个在很短时间内建造的"非常小巧、廉价的探测器"捕捉到了153次高能中微子相互作用。这些中微子确实拥有在实验室环境中记录到的最高能量,但有可能为进一步全面研究这些难以捉摸的粒子的特性铺平道路。继FASER之后,SND@LHC实验又记录了8个涉及中微子的"事件"。研究人员分析了探测器在2022年7月至11月期间收集到的数据,称他们的科学发现"非常成功"。维莱拉说,既然中微子终于在实验室中被探测到了,那么粒子物理学标准模型中的一些谜团就有可能得到更好的理解和研究。大型强子对撞机的科学家们还将继续运行FASER实验多年,预计收集到的数据"至少"会增加10倍。FASER探测器尚未满负荷运行,但在未来几年中,该实验将产生有关高能中微子相互作用的"精美细节"。此外,欧洲核子研究中心正在探索在大型强子对撞机现场建造的一个新的地下洞穴,其唯一目的是探测"数百万"中微子相互作用和其他与暗物质有关的现象。...PC版:https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1380129.htm手机版:https://m.cnbeta.com.tw/view/1380129.htm

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