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物理學家地下尋找神秘粒子:免遭射線干擾

來源:不詳       更新時間:2013-4-9 11:49:54
 

  這些實驗室建在地表以下1英里(約1.6公里)的地方,厚厚的巖石層中或許隱藏著某種新作用力的證據,另一方面也可以保護精密的實驗免遭宇宙射線和其他高能粒子的干擾,從而使一些極其罕見的粒子現出原形。
  
  北京時間4月9日消息,當世界上最大的粒子加速器正忙于尋找希格斯玻色子的時候,物理學家們已經在深地底建造起了巨大的實驗室。當然,這不是什么驚天陰謀,科學家的目標是尋找宇宙中那些蹤跡最為隱蔽的粒子。
  
  這些實驗室建在地表以下1英里(約1.6公里)的地方,厚厚的巖石層中或許隱藏著某種新作用力的證據,另一方面也可以保護精密的實驗免遭宇宙射線和其他高能粒子的干擾,從而使一些極其罕見的粒子現出原形。以下介紹的,便是幾種很可能在地下實驗室被發現的粒子。
  
  非粒子(unparticle)
  
  物理學家們正在地幔中尋找一種新的基本作用力。非粒子沒有固定的質量,其性質有些與無質量的光子相同,有些則與有質量的粒子一致。非粒子可能是粒子間長程自旋相互作用的原因,這是一種新形式的長程作用力,可以使原子中的電子在長距離自旋過程中對齊。
  
  為了尋找這種新的作用力,研究者們繪制出了地幔中的電子密度和自旋特征,研究這些地下電子如何影響實驗室中的中子和電子自旋。科學家設了兩個實驗組,其之間的距離為3000英里(約4828公里)。如果地幔中的電子對實驗室中的粒子產生了作用,那后者的自旋頻率就會改變。通過這個實驗,這種新的作用力就可以與重力、電磁作用以及強、弱核力一起講述宇宙的行為方式。
  
  暗物質粒子
  
  宇宙中充滿了稱為“暗物質”的隱形物質,它們的引力被認為是保持各個星系不致分崩離析的原因。最新的理論提出,暗物質由弱相互作用大質量粒子(縮寫為WIMPs)組成,這種粒子極少與普通的粒子發生相互作用。
  
  有些實驗室,包括美國南達科他州霍姆斯特克的大型地下氙氣探測實驗室,依靠地殼保護實驗免遭宇宙射線的干擾,因而有望探測出WIMPs與普通原子極為罕見的相互作用。目前,WIMPs的蹤跡還極其稀少,但有數個實驗正在進行之中,未來幾年之內或許我們就能得到WIMPs存在的證據。
  
  太陽中微子(solarneutrinos)
  
  來自格蘭薩索國家實驗室的物理學家探測到了處于變化類型中的太陽中微子,該實驗室位于意大利一座山下約1英里的地下。太陽的核反應產生了這些不帶電的粒子,最新的理論指出,中微子在傳播到地球的過程中會發生轉換,即中微子振蕩。正是由于中微子振蕩的存在,使早期科學家測量太陽產生的中微子的流量時,發現大約只有根據標準太陽模型計算結果的三分之一。
  
  太陽中微子很少與地球物質發生作用。從歐洲粒子物理實驗室(CERN)發射的中微子束,經過731公里到達意大利的格蘭薩索國家實驗室,物理學家們成功捕獲了處于轉換狀態的中微子。這一發現證實了中微子振蕩現象。
  
  反中微子(geoneutrinos)
  
  中微子來自太陽,但地幔之中的放射性元素也會產生“反中微子”。格蘭薩索國家實驗室分離了一些這樣的反中微子,它們是由鈾、釷的放射性衰變形成的。這種新粒子或許可以解釋地球內部熱量的積聚,以及這些熱量驅使板塊構造移動的過程。為了捕獲這些從地幔中發出的反中微子,研究人員使用了一個包含有油基液體的探測器,當亞原子粒子撞到這種液體時會出現閃爍現象。反中微子會發射出一個正電子和一個中子,當這兩個粒子撞到液體中的原子時,會發出一種特殊的閃光。研究人員據此確定了反中微子的存在。
  
  核子衰變(Nucleondecay)
  
  雖然很多亞原子粒子都會衰變成其他粒子,但科學家至今還未發現質子和中子的衰變現象。這兩種粒子組成了原子的原子核。在標準模型中重子數是守恒的,而大統一理論卻預言了質子衰變。為了尋找這種罕見衰變的證據,超級神岡探測器(Super-Kamiokande)的科學家已經耗費了多年時間。該探

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