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太阳中微子失踪之迷 精选

已有 20843 次阅读 2014-9-19 15:58 |系统分类:海外观察| 加拿大, 爱尔兰, 合作伙伴, 安大略省, 劳伦斯

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       非常有幸,转了四次飞机,穿梭近一万公里,来到西半球靠近北极的地方,深入到地下两千一百多公尺,观察的却是一亿四千九百六十万公里之外,来自太阳的秘密。

       爱尔兰籍加拿大教授,我的项目合作伙伴克劳伦斯,当他一大清早打电话来说,要带我去萨德伯里中微子天文台(Sudbury Neutrino Observatory,SNO),确实让人喜出望外。

       加拿大安大略省北部中心城市萨德伯里,位于美国与加拿大交界的五大湖区,与北极著名的哈德逊湾,只隔了一道劳伦琴低高原。虽说已是初夏,却还纷纷扬扬,下起五月的第二场雪。放暑假也有十多天了,却还在校园RAMSEY湖边,看见薄薄的一层冰。

       高寒地区的学校,布局都非常紧凑,建筑物几乎紧挨着。区域和区域之间,用密闭的连廊相通。为了防寒,连廊被分成好几段,不少岔路口,钻在里边像迷宫,不经意就会走错。分隔每个空间的门上,都装有锁紧装置,要用很大的劲,才能够推开。


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       真准时啊,才刚过八点,大门的玻璃方窗孔上,就出现了克劳伦斯,被冻得发红的脸庞。他那高耸的鼻梁,被玻璃压得有些扁平。褐色的眼睛眯缝着,笑容可掬。灰白头发,还挂着几片雪花。

       我推开门,见他手里拎一包东西,像是午餐用的,像上次去诺斯贝,在休伦湖边租一个炉子,烤的生肉和熏肠,还有芥末和咖喱粉。当然少不了巧克力,和这里特有的一种枫糖。

       克劳伦斯身体非常棒,一米八六个头,四十六岁年纪。只是这一头银发啊,原以为他是天生的,却在一次询问时,听见他的叹息:“这个该死的项目啊,开始还不到一年,就把我的头发,由棕色变成白色”。

       看来国外的教授,也不像传说中那样轻松,何况他们,正从事着世界级的项目研究。

 

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       中微子,一种不带电、穿透力极强的基本粒子,质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动,存在三种类型:电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

       恒星的热核反应,会释放大量的电子中微子。科学家从20世纪70年代开始测算,却发现,从太阳到达地球的电子中微子数量,仅为根据太阳活动理论推算出的三分之一,所谓“中微子失踪之谜”,意味着目前的太阳活动理论,或中微子物理模型,至少有一个存在偏差。

       为了弄清这个问题,科学家在世界各地建造了多个观测站,萨德伯里就是最重要的站点之一。正是这里,在我们到来前不久,向世界发布了研究取得的重大进展。证实了太阳热核反应释放的电子中微子,在辐射到地球的路上,部分转变成了其它类型(μ子和τ子)。这与太阳活动理论的预期非常吻合,却与现代物理学的中微子标准模型相悖。

       美国《科学》杂志,随即评选该发现为年度世界十大科技突破,这也导致美国人戴维斯和日本人小柴昌俊,获得了当年的诺贝尔物理学奖。


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       克劳伦斯开一辆银白色尼桑车,带着我从劳伦琴大学校园出发。

       天色尚早,风呼呼吹,车开在林间小路,荡起一路的雪片。克劳伦斯饶有兴致,停车撕下一张桦树皮,给我讲述他们的先人,曾在这薄薄的桦树皮上写情书。随即他坐上车,一脚油门,让无数银白色的树干,在眼前急速闪过。

       走出美丽的桦树林,眼前出现了清澈湖泊,湖边有连片的木屋别墅,更有长满苔藓的黑色土壤。这里位于休伦湖北岸,空气弥散着臭氧的味道。

       渐渐地,天又下起了雪,让通向SNO的道路,变得泥泞起来。克劳伦斯不得不紧踩油门,用发动机最大声的轰鸣,驱动汽车一路上行。

       坡上的土地有些荒凉,呈现出极地的地貌特征。一个烟囱高耸在前方,招呼我们停下车来,这是到了国际镍业公司(Inco)的一个矿井。


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       史前的宇宙大爆炸,使地球表面,残存着大量的电子中微子,每立方厘米约100个。太阳辐射到达地球的中微子,很容易被这些杂散粒子所湮没。正是这个原因,使得对太阳中微子的研究,不能选择在地表进行。

       好在太阳热核反应,所发散的电子中微子,具有最强的穿透力。穿越地球直径厚的物质,100亿个中微子中,只有1个会与其它物质反应,余下的将如数通过。

       这也就是能在地球深处,研究太阳中微子的原因。在南极洲的冰层下,地中海的海底,贝加尔湖的深处,还有北美极地的矿井,这些地方没有散射中微子的干扰,太阳辐射的电子中微子,却能准确到达。

       萨德伯里中微子天文台(SNO),就建在一座,19世纪开始投入开采的镍矿深处,这里距地表约2公里(6800英尺),宇宙大爆炸残留的电子中微子含量稀少,几乎可以忽略不计。


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       要去萨德伯里中微子天文台(SNO),必须首先经过国际镍业公司(Inco)的矿井。

       镍矿含放射性物质,在进入矿井之前,必须穿戴防护用具:红色头盔(前边有灯的那种),蓝色工作服(具有防辐射的金属夹层),棕色皮靴,还有眼镜、口罩和手套。等浑身上下的皮带扎紧之后,才能同上班的矿工一道,到矿井入口排队。

       先乘坐20分钟吊笼,下降到两公里深处,再用20分钟,走了近3公里的隧道。

       这是一条宽敞的矿道,每隔50米,才有一盏橘黄色路灯。灰暗的岩壁上,不时闪烁银光,这是金属镍所发出的。走在此处,就像走在密闭的金属盒子里,有一种要窒息的感觉。

       到了天文台门口,隧道亮堂起来。别急,在进入实验室前,还有更复杂的程序。先用强风鼓去身上的放射性尘埃,再脱光衣服进到浴室里沐浴,洗净后用强风吹干,换上白大褂,戴好帽子和眼镜。

       自动门徐徐打开,终于见到了传说中的SNO,复杂地让人目瞪口呆。


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       这是目前世界上,唯一的重水介质实验室,称为重水契仑可夫探测器,设备有10层楼高。造价嘛,先不说别的,就说这1000吨的重水,就价值16亿加元(约96亿人民币)。

       中微子通过重水(含有氢的同位素氘),当速度大于光在这种介质中的传播速度时,就会被氘核吸收,释放2个质子和1个电子,产生切伦科夫辐射的蓝色闪光。

       根据这种效应,科学家们建造了太阳中微子观测站,其主要部分是直径12米的球形容器,装有1000吨重水,容器壁用丙烯酸树脂制成,厚度5厘米,容器周围安装了9600个光电倍增管,用于探测和放大伦科夫辐射的微弱光线。

       这座探测器,被浸泡在30米高的圆柱形容器中(充满了轻水),使得这座中微子观测站,像一个深埋在地心的庞然大物,配上些蓝色或红色的射线,仿佛神话中的冥界。


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       克劳伦斯在项目里,负责同步测量系统,这也是他,想让我熟悉的主要部分。

       通过同时测量三维多向到达的微弱光信号,计算中微子与重水反应产生的瞬时质子数。并根据多个传感器信息的综合,确定出辐射路径,进而区分产生蓝光的中微子,究竟来自那一个天体?

       这是一个庞大的系统,有高精度的铷时钟源,伪随机编码的9600个传感器,9600套光电倍增设备,还有热控制仪、测量指令系统和信息处理终端等。涉及到小信号处理、抗杂散干扰和同步精准测量等多项技术,复杂地让人一时反应不过来。

       工作在实验室里,克劳伦斯非常自豪,他说:“这里集中了目前世界上,最顶级的天体物理学家和核物理学家,他们夜以继日地工作,研究已取得重大进展。”

       我不知道戴维斯和小柴昌俊(诺贝尔物理学奖获得者),是否也在这一群人当中?


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       午餐时候,见到一个女孩,像来自我们中国,清秀模样,微笑表情,看一眼就觉得亲切。她穿一件白大褂,戴一顶蓝色橱帽,推一辆金属橱柜车,彬彬有礼,走进走出,为我们送点心和咖啡。

       我好奇地打量这位“同胞”,心里在想:中国人真不简单,洋打工,干粗活的,都能走这么远的距离,到这种神秘的地方来。

       趁她为我收拾餐具,我询问了她,却见她笑笑,说:“我是日本人,来自东京都,剑桥大学博士毕业后,选择到这里实习。”

       让我倒抽了一口凉气,端水和送饭,都用剑桥的博士,这才叫卧虎藏龙!



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