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实验

澎湃新闻记者 虞涵棋 实习生 叶娜妮 陈凌瑶

2017-07-24 22:24 来源:澎湃新闻

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被称为“宇宙隐形人”的中微子,虽然质量很小,与其他粒子相互作用微弱,但它可能解决一些粒子物理和宇宙形成中的核心问题。比如,为何宇宙是由物质而非反物质构成的?这一神奇粒子已催生4个诺贝尔奖,科学家们从未停下研究中微子的脚步。
当地时间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废弃金矿井,宣布美国又一个大型粒子物理实验项目:长基线中微子设施(Long-Baseline Neutrino Facility,LBNF)动工了。
该实验计划用美国费米实验室的加速器产生中微子,再发射到一个13公里以外废弃金矿井的粒子检测器中。中微子的第三种形态,τ中微子,就是费米实验室在2000年发现的。规划中的地下检测器(Deep Underground Neutrino Experiment,DUNE)接近四层楼高,内部充满液态氩。工人们需要在1480米深的地底下挖出巨大的洞穴,拉出足有十几架飞机重量的石头,再运进7万吨的液氩。
科学家们将研究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,该项目将试图寻找中微子和反中微子之间细微的不对称,这可能是解释新生宇宙产生的物质为何比反物质多得多的关键。
30个国家的联合项目
早在2001年,科学家们就提议建立这个检测器,将其列为国家科学基金会(NSF)赞助的霍姆斯托克实验室的一部分。
然而,直到2010年,国家科学委员会仍未通过这个方案,把建立中微子实验室的计划甩给了能源部。此后,科学家们和能源部官员就一直在为经费问题扯皮。2014年,国家科学委员会和能源部同意按照最初的方案,用15亿美元的总预算建立实验室,并将它变成一个国际项目。
如今,该国际项目包含来自30个国家、160多个机构的近千名科学家和工程师。该项目的主要合作伙伴,欧洲核子研究中心(CERN),已经开始建造DUNE的原型探测器,并将在南达科他州建立第一个低温保持器。
废弃的霍姆斯托克金矿
“开启这个实验项目建设让我们感到兴奋。”南达科他州科技局局长麦克·霍德利说(Mike·Headley)。霍德利还是美国斯坦福地下研究实验室(SURF)的领导者。该实验室在2006年建立于霍姆斯托克,并获得了慈善家丹尼·斯坦福7000万美元的捐赠。
挖出790吨岩石
现在,工程师和工人们必须对SURF进行扩张。他们需要炸出4个长70米,宽20米,高29米的模块用于储存液氩。费米实验室的土木工程师兼LBNF项目常规设施经理特雷西·兰丁(Tracy Lundin)估计,他们要挖出790吨岩石。整个挖掘工作会持续3年左右。
不过,兰丁表示,在地下建筑行业,这只是一个中到中大型的项目,这座矿的岩体应力条件不错,能够减少在开挖过程中发生断裂或移位的风险。
运进7万吨液氩
挖掘工作完成后,工作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,氩的化学性极不活泼。
把几百万升液氩运进去,在工程学上是个大挑战。他们需要建造一些储存液氩的钢罐,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。这种膜冷冻技术,常用于轮船运输液化天然气。不过,在千米深的地底下,这可比建造油轮难多了。
 “能够下矿井的单块钢板尺寸是有限的,所以我们需要设计一个能将钢板一块块地拴在一起,并且同时承受住液氩压力的东西。”费米实验室的物理学家兼DUNE技术协调员埃里克•詹姆斯(Eric James)说道。
把液氩送到实验室也不是一件容易的事。由卡车运输的话,每次20吨,一共要运输3500次。费米实验室的机械工程师兼LBNF采购经理特洛伊•拉克(Troy Lark)表示,“所有的液氩供应商都在墨西哥湾沿岸和东海岸,因此,怎么把大量液氩带到南达科他州是个棘手的问题。”
费米实验室和金矿相距13千米
拉克称,“基于在1480米管道底部的巨大压力,直接把液氩运送到地下是不可能的。” 因此,工人们通过管道输送气态的氩,并在地底下,用-185.8℃的低温下将其重新凝结。蒙塔纳估计,用液氩填充四个模块需要7个月到1年左右的时间。
在美国南达科他州的霍姆斯特克金矿山,民用设施和基础设施的建设工作十分昂贵。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。
内核硬件仍未获批
不过,DUNE项目的内核尚未得到能源部的批准。詹姆斯表示,费米实验室和欧洲核子研究中心的研究人员仍然在进行原型探测器的研究和设计,他们希望在2019年前得到启动探测器硬件建设的批准,并在2024年前完成建造。詹姆斯还提到,美国将承担该探测器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。由于与其他物质的相互作用十分微弱,中微子时常被忽略,但实际上每秒钟通过我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,可以进行互相变形和震荡。2015年,诺贝尔物理学奖授予中微子振荡现象的发现者,这一现象揭开了中微子“神秘失踪”之谜。
通过发射μ中微子到地下检测器中,物理学家可以勾画出中微子震荡的本质,将此前的理论放在实验中推敲。
中国主导的大亚湾核反应堆中微子振荡实验,同样是一个多国参与的大型粒子物理项目。大亚湾曾于2012年发现一种中微子振荡新模式,并获得2016年的国家自然科学一等奖。
责任编辑:沈关哲澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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