How to make the world’s most powerful neutrino beam

11月14日,费米国家加速器实验室及其国际合作伙伴在一项创新实验上破土而出,该实验旨在回答有关宇宙的一些重大问题。

作为深地下中微子实验的一部分,长基线中微子设施总有一天会产生世界上最强烈、高能量的中微子束,向南达科他地下1300公里处发射数以万亿计的粒子。DUNE由芝加哥大学(University of Chicago)下属的美国能源部(U.S. Department of Energy)实验室费米实验室(Fermilab)主办,邀请了来自30多个国家的1000多人来解决让物理学家彻夜难眠的问题:为什么宇宙中充满了物质而不是反物质,或者根本没有物质?质子是原子(和我们)的组成元素之一,它会衰变吗?黑洞是如何形成的?

《沙丘》将着眼于被称为中微子的神秘亚原子粒子:一种中性的、纤细的幽灵,它们很少与物质发生作用,但被认为是解开许多谜团的钥匙。

因为中微子是如此的反社会,科学家不得不建造巨大的粒子探测器来捕捉和研究它们。这些巨大的中微子阱将在南达科塔州桑福德地下研究设施地下1.5公里处的家中,共储存7万吨液态氩。

这就是费米实验室的粒子加速器的用武之地。在费米实验室,长基线中微子设施将产生一束强烈的中微子,并将它们直接穿过1300公里的地球,一直送到南达科他州。

转折吗?费米实验室现有的粒子加速器推动质子——有用的粒子,但不是中微子科学家想要研究的粒子。那么,研究人员计划如何将费米实验室的第一束兆瓦级质子束转换成他们在沙丘上需要的每秒数万亿的高能中微子呢?为此,科学家们求助于长基线中微子设施(LBNF)。

第一步:抓住一些质子

第一步是将粒子从主喷射器中虹吸出来(否则,圆形加速器将更像是一个旋转木马)。工程师们需要建造和连接一个新的波束,包括改变波束方向的踢球磁铁。

他们还将用24个偶极子和17个四极子磁铁建造新的LBNF束流线,其中大部分由印度的Bhabha原子研究中心建造。

步骤2:目标

大多数加速器使用带电粒子(如质子),所以它们可以利用磁力来控制它们。但这对中微子不起作用,因为它们是中性的;一旦中微子诞生,它就会朝着任何方向前进,就像一个孩子骑在世界上最长的滑梯上一样。所以与其说它们是被引导的,不如说它们是被瞄准的。

当他们建造LBNF的束线时,工作人员将沿着一座18米高的山的曲线把它悬挂起来。当这些质子下山时,它们将被指向南达科他州的沙丘探测器。一旦中微子诞生,它们将继续沿着同一方向运动,不需要隧道。

但束中的粒子仍然是质子。要把它们变成中微子,还有几个步骤。

第三步:打碎东西

质子将会直接撞击目标,可能是一根1.5米长的纯石墨棒——想想你的铅笔铅笔芯就知道了。

这释放了他们的能量,并释放出新的粒子——主要是介子和介子。

第四步:集中碎片

当质子撞击目标并产生介子和介子时,一种叫做聚焦角的装置就开始起作用。介子和介子都是带电的,这些巨大的磁铁将喷雾引导回聚焦的光束。

为了产生聚焦场,金属喇叭接受大约每秒一次的30万安培电磁脉冲,产生的电荷比强大的闪电还多。

第五步:物理学发生了

介子和介子聚焦在光束上,离开目标大厅,穿过一条200米长的充满氦气的隧道。随着它们的衰变,产生了中微子。

然后是挥手告别的时候了。要快:它们以接近光速的速度穿越地球1300公里,只需要4毫秒,甚至还不到眨眼的时间。但是对于沙丘科学家来说,这项工作才刚刚开始。

科学家们将在南达科他州用他们的巨型粒子探测器再次测量中微子。研究人员将收集大量的数据,研究中微子是如何变化的,并试图找出许多中微子难题中的一些,包括:这三种中微子中哪一种实际上是最轻的?中微子的行为和反物质一样吗?而最大的问题是:中微子是在宇宙诞生之初,为什么物质能战胜反物质的关键吗?

这就是制造世界上最强大的中微子束的方法。

-改编自Lauren Biron最初发布在Fermilab网站上的一篇文章。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.uchicago.edu/story/how-make-worlds-most-powerful-neutrino-beam

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