[科普中國(guó)]-中微子束

中微子假說的提出與證實(shí)

β衰變現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以后，物理學(xué)家們對(duì)它進(jìn)行了認(rèn)真的研究，發(fā)現(xiàn)衰變后的總能量比衰變前少，而且衰變前動(dòng)量以及某些量子力學(xué)家中的守恒量也不守恒。為了解決這些矛盾，著名美籍奧地利物理學(xué)家泡利于1931年提出了在β衰變中原子核在發(fā)射電子的同時(shí)，還放出了一個(gè)既不帶電量可能也不具有靜止質(zhì)量的粒子，這個(gè)粒子帶走了丟失不見的能量。1933年，費(fèi)密把這種粒子命名為中微子。中微子假說的提出，使大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到滿意解釋。但是，由于中微子不帶電荷，也沒有質(zhì)量或質(zhì)量很小，因此驗(yàn)證它就成了困難。在長(zhǎng)達(dá)四分之一世紀(jì)的時(shí)間里，它被看做是 “幽靈粒子”。

1941年，中國(guó)物理學(xué)家王淦昌建議通過氫原子核俘獲k殼層電子釋放中微子時(shí)所產(chǎn)生的反沖探測(cè)中微子。在這類過程中，所產(chǎn)生的原子核的反沖能量和動(dòng)量將僅同發(fā)射的中微子有關(guān)。他的設(shè)想《探測(cè)中微子的建議》發(fā)表于1942年1月出版的美國(guó)《物理評(píng)論》。接著，美國(guó)物理學(xué)家阿倫就此進(jìn)行了Be的k俘獲實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了王淦昌的預(yù)言。1942年，日本物理學(xué)家板田昌一從理論上分析預(yù)言存在兩種中微子。美國(guó)物理學(xué)家科恩及萊因斯在高通量反應(yīng)堆中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首先檢測(cè)到核反應(yīng)堆中產(chǎn)生的自旋與運(yùn)動(dòng)方向相同的反中微子的稀有俘獲，從而證實(shí)了中微子的存在。1961—1962年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的萊德曼等人用同步加速器加速的高能質(zhì)子打擊鈹靶，用產(chǎn)生高能中微子束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了兩種中微子的存在。中微子的發(fā)現(xiàn)為弱相互作用的研究奠定基礎(chǔ)2。

加速器中微子束流而中微子束則不能由初級(jí)束直接打靶產(chǎn)生，它是次級(jí)粒子的衰變產(chǎn)物。設(shè)計(jì)和建造中微子束流是進(jìn)行加速器中微子物理研究必須具備的條件。束流的性能也將直接影響到中微子物理實(shí)驗(yàn)的水平1。

中微子源高能加速器中微子束源主要有兩種：π介子束和K介子束。π、K介子衰變產(chǎn)生μ介子和μ子型中微子(νμ)，這兩種中微子源都是從兩體衰變得到的1。

中微子束流線主要組成**靶區(qū)：**從加速器引出的質(zhì)子束打到靶上產(chǎn)生次級(jí)π、K介子。為了保證初級(jí)質(zhì)子束與靶物質(zhì)有效地發(fā)生相互作用以及防止次級(jí)束在靶中的吸收，一般選取2一3個(gè)相互作用長(zhǎng)度。所謂相互作用長(zhǎng)度是指在靶物質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)相互作用所經(jīng)過的平均距離1。

**聚焦區(qū)：**主要作用是對(duì)π、K介子束進(jìn)行聚焦，選取一定動(dòng)量范圍和同樣電荷的π、K介子。在這里，除了采用通常的四極和二極磁鐵外，還需采用特殊的聚焦裝置——“磁號(hào)”(magnetic horn)。“磁號(hào)”是一個(gè)形狀象傳聲簡(jiǎn)由鋁合金制成的對(duì)帶電π、K介子進(jìn)行聚焦的裝置。“磁號(hào)”本體可以分為內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，內(nèi)、外導(dǎo)體均通以電流，在兩個(gè)導(dǎo)體間的空間內(nèi)形成環(huán)形磁場(chǎng)3。由于這種環(huán)形磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)作用，從而使“磁號(hào)”能對(duì)動(dòng)員范圍變化很大，發(fā)射角也很大的π、K介子束聚焦。

**衰變區(qū)：**這是一個(gè)抽成真空的管道,，在管道中π、K介子衰變?yōu)棣探樽雍挺套有椭形⒆?。

**屏蔽區(qū)：**其作用主要是吸收剩余π、K介子和其他強(qiáng)子以及不需要的μ介子。吸收物質(zhì)主要是鐵、水泥和土塊等1。

**監(jiān)視裝置：**在屏蔽體中沿束流線方向每隔一定距離開有與束流線垂直的孔道，在孔道內(nèi)放置探測(cè)器(如固體徑跡探測(cè)器、核乳膠或小型氣體電離室等)，測(cè)量μ介子通量分布。由這種解介子通量分布來重建π、K介子譜，從而推得中微子的通量分布1。

**實(shí)驗(yàn)區(qū)：**經(jīng)過屏蔽體過濾的中微子束進(jìn)人實(shí)驗(yàn)區(qū)的中微子探測(cè)器1。

中微子束的種類按中微子能譜的特征可分為寬帶束(wide band beam)和窄帶束(anrrow band beam)。根據(jù)聚焦情況的不同又可分為喇叭束(horn beam)、四極束、無聚焦束(亦稱裸靶束)和雙色束，前三種是寬帶束，后一種是窄帶束1。

**喇叭束：**具有最強(qiáng)的中微子通量。其峰值通量可達(dá)109~1010中微子/m2·GeV·入射質(zhì)子數(shù)(103)。聚焦的主要部件是“磁號(hào)”。喇叭束是常用的中微子束流，它適用于飽室和計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)。

**四極束：**由多重四極磁鐵聚焦。其特點(diǎn)是：與中微子通量峰值相應(yīng)的能量比其他束高，高能部分通量可以與喇叭束相比，適于作泡室或計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)。

**聚焦束：**沒有聚焦部件，因此其通量比喇叭束和四極束都要低。它僅僅由一對(duì)選擇通過衰變區(qū)的π、K介子符號(hào)的二極磁鐵組成。操作比較簡(jiǎn)單且能產(chǎn)生較純的中微子和反中微子束。

**雙色束：**為了便于對(duì)所觀察的中微子相互作用的分析，希望能同時(shí)知道入射中微子的能里Eν和入射角θν，這就需要設(shè)計(jì)雙色束。雙色束的原理主要是對(duì)次級(jí)π、K介子作符號(hào)和動(dòng)量選擇3。

中微子天文學(xué)方法通過探測(cè)天體發(fā)射的中微子研究天體的科學(xué)方法。60年代以后形成。中微子和一般物質(zhì)的相互作用非常微弱，而各種天體活動(dòng)產(chǎn)生中微子的數(shù)量又非常之多，因此在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的中微子能自由地穿透恒星表面。如果能對(duì)恒星發(fā)射的中微子進(jìn)行探測(cè)，那么就能獲得有關(guān)恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要信息。

1956年在實(shí)驗(yàn)室中觀察到中微子后，1962年美國(guó)布魯克里文實(shí)驗(yàn)室已能產(chǎn)生出強(qiáng)大的高能中微子束。同一時(shí)期，在深礦井中進(jìn)行了對(duì)太陽中微子的探測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)到的中微子約為按標(biāo)準(zhǔn)太陽模型計(jì)算值的1/3，這就是著名的“太陽中微子失蹤之謎”。這個(gè)問題至今仍懸而未決。

另外，在恒星演化的晚期，中微子的作用變得越來越重要，其作用是：①發(fā)射中微子，帶走了大量能量，加速了恒星演化的進(jìn)程并縮短了恒星演化的時(shí)標(biāo);②對(duì)超新星爆發(fā)和中子星形成可能起關(guān)鍵作用。目前，科學(xué)家已擁有探測(cè)中微子的設(shè)備，如能實(shí)時(shí)觀測(cè)到一次銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)，就可用實(shí)測(cè)資料分析爆炸的全過程，并檢驗(yàn)有關(guān)理論。在廣闊無垠的宇宙中，只要有物質(zhì)和相互作用就有中微子存在。

從宇宙早期演化開始，就產(chǎn)生過大量中微子，這些低能宇宙背景中微子可能已存在了100億年，如能設(shè)法探測(cè)到，這無疑將成為探索宇宙早期演化的一種手段。而各種高能天體(如射電星系、活動(dòng)星系核和類星體)不斷產(chǎn)生著能量極高、數(shù)量很多的高能中微子，對(duì)它們的探測(cè)應(yīng)能提供許多前所未知的高能天體演化的寶貴信息4。

中微子通信這是一種采用中微子束來代替電磁波傳遞信息的無線通信方式。它可以沖破電磁波通信不可逾越的水下和地下這兩大禁區(qū)，實(shí)現(xiàn)全球無線通信;它保密性好，傳遞信息快，不受外界干擾，對(duì)人體無害。這些優(yōu)點(diǎn)是其他通信方式無法比擬的。

中微子通信過程和微波通信相似，有發(fā)射和接收裝置。通信時(shí)，發(fā)射端首先用高能質(zhì)子加速器，將質(zhì)子加速到幾千億電子伏特的能量，然后去轟擊一塊金屬靶子。此時(shí)，靶子的背面就會(huì)產(chǎn)生許多“短命”的介子，這些介子一邊運(yùn)動(dòng)，一邊發(fā)生衰變，從而變成中微子和μ子。再讓它們共同穿過鋼板，這時(shí)μ子被鋼板阻擋并衰變了，剩下的就是純凈的中微子束。然后，再用信號(hào)對(duì)它進(jìn)行調(diào)制，接著通過磁場(chǎng)控制載有信息的中微子束，使之按人的旨意朝一定方向傳向目標(biāo)。

接收端是一個(gè)貯有近億噸水的大水箱，箱內(nèi)的光探測(cè)器星羅棋布。當(dāng)發(fā)射來的中微子束在水中傳過時(shí)，就會(huì)與原子核中的中子發(fā)生核反應(yīng)而生成μ子，μ子在水中高速前進(jìn)，受到核的減速作用放出光子，這些光子進(jìn)而被水中的光探測(cè)器接收，即可把原來中微子束所攜帶的信息解調(diào)出來，從而達(dá)到通信的目的5。