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为何正物质比反物质多?美国要在千米深的废金矿里做个大试验

时间:2024-02-12 来源:其他产品
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  被称为“世界隐形人”的中微子,尽管质量很小,与其他粒子相互作用弱小,但它或许处理一些粒子物理和世界构成中的核心问题。比方,为何世界是由物质而非反物质构成的?这一奇特粒子已催生4个诺贝尔奖,科学家们从未停下研讨中微子的脚步。

  当地时刻7月21日,美国物理学家和能源部官员齐聚南达科他州的一个抛弃金矿井,宣告美国又一个大型粒子物理试验项目:长基线中微子设备(Long-Baseline Neutrino Facility,LBNF)开工了。

  该试验计划用美国费米试验室的加速器产生中微子,再发射到一个13公里以外抛弃金矿井的粒子检测器中。中微子的第三种形状,τ中微子,便是费米试验室在2000年发现的。规划中的地下检测器(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)挨近四层楼高,内部充溢液态氩。工人们需求在1480米深的地底下挖出巨大的窟窿,拉出足有十几架飞机分量的石头,再运进7万吨的液氩。

  科学家们将研讨中微子与氩原子之间的相互作用,以进一步了解这些难以捉摸的粒子,此外,该项目将企图寻觅中微子和反中微子之间纤细的不对称,这或许是解说重生世界产生的物质为何比反物质多得多的要害。

  早在2001年,科学家们就提议树立这个检测器,将其列为国家科学基金会(NSF)资助的霍姆斯托克试验室的一部分。

  但是,直到2010年,国家科学委员会仍未经过这一个计划,把树立中微子试验室的计划甩给了能源部。尔后,科学家们和能源部官员就一向在为经费问题扯皮。2014年,国家科学委员会和能源部赞同依照开端的计划,用15亿美元的总预算树立试验室,并将它变成一个世界项目。

  现在,该世界项目包括来自30个国家、160多个组织的近千名科学家和工程师。该项意图首要合作伙伴,欧洲核子研讨中心(CERN),渐渐的开端制作DUNE的原型探测器,并将在南达科他州树立第一个低温坚持器。

  “敞开这个试验项目制作让咱们感到振奋。”南达科他州科技局局长麦克·霍德利说(Mike·Headley)。霍德利仍是美国斯坦福地下研讨试验室(SURF)的领导者。该试验室在2006年树立于霍姆斯托克,并取得了慈善家丹尼·斯坦福7000万美元的捐献。

  现在,工程师和工人们有必要对SURF进行扩张。他们要炸出4个长70米,宽20米,高29米的模块用于贮存液氩。费米试验室的土木工程师兼LBNF项目惯例设备司理特雷西·兰丁(Tracy Lundin)估量,他们要挖出790吨岩石。整个发掘作业会继续3年左右。

  不过,兰丁表明,在地下建筑行业,这仅仅一个中到中大型的项目,这座矿的岩体应力条件不错,能够削减在开挖过程中产生开裂或移位的危险。

  发掘作业完结后,作业人员还要运进以百万升计的液氩。氩是单原子分子,单质为无色、无臭和无味的气体,氩的化学性极不生动。

  把几百万升液氩运进去,在工程学上是个大应战。他们要制作一些贮存液氩的钢罐,钢罐的内胆是一层薄薄的波纹钢板构成,外面包裹一层厚厚的绝缘层和一个外钢支撑结构。这种膜冷冻技能,常用于轮船运送液化天然气。不过,在千米深的地底下,这可比制作油轮难多了。

  “能够下矿井的单块钢板尺度是有限的,所以咱们应该规划一个能将钢板一块块地拴在一同,而且一起接受住液氩压力的东西。”费米试验室的物理学家兼DUNE技能协调员埃里克•詹姆斯(Eric James)说道。

  把液氩送到试验室也不是一件简单的事。由货车运送的线次。费米试验室的机械工程师兼LBNF收购司理特洛伊•拉克(Troy Lark)表明,“一切的液氩供货商都在墨西哥湾沿岸和东海岸,因而,怎样把很多液氩带到南达科他州是个扎手的问题。”

  拉克称,“根据在1480米管道底部的巨大压力,直接把液氩运送到地下是不或许的。” 因而,工人们经过管道运送气态的氩,并在地底下,用-185.8℃的低温下将其从头凝聚。蒙塔纳估量,用液氩填充四个模块需求7个月到1年左右的时刻。

  在美国南达科他州的霍姆斯特克金矿山,民用设备和基础设备的制作作业非常贵重。美国能源部2018年度财政预算要求将这两项的费用控制在3.98亿美元。

  不过,DUNE项意图内核没有得到能源部的同意。詹姆斯表明,费米试验室和欧洲核子研讨中心的研讨人员仍然在进行原型探测器的研讨和规划,他们期望在2019年前得到发动探测器硬件制作的同意,并在2024年前完结制作。詹姆斯还说到,美国将承当该探测器25%的成本费用。

  中微子是一种基本粒子,电中性,质量极小,在自然界广泛存在。因为与其他物质的相互作用非常弱小,中微子时常被疏忽,但实际上每秒钟经过咱们眼睛的中微子数量数以亿计。它有三种类型,电子中微子、μ中微子和τ中微子,能够直接进行相互变形和震动。2015年,诺贝尔物理学奖颁发中微子振动现象的发现者,这一现象揭开了中微子“奥秘失踪”之谜。

  经过发射μ中微子到地下检测器中,物理学家能够勾画出中微子震动的实质,将此前的理论放在试验中琢磨。

  我国主导的大亚湾核反应堆中微子振动试验,同样是一个多国参加的大型粒子物理项目。大亚湾曾于2012年发现一种中微子振动新模式,并取得2016年的国家自然科学一等奖。


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