探索宇宙中的“基本力” - 真空技术在宇宙探索中的应用

探索宇宙中的“基本力” - 真空技术在宇宙探索中的应用

在地下 2,100米深处,SNOLAB 实验室的物理学家正在研究宇宙中难以捉摸的组成粒子:中微子。
WoV-Snolab.jpg

中微子是一种中性基本粒子,以近光速在空间穿梭。中微子不带电,几乎不与任何物质发生作用,因此可以畅通无阻地穿行。这使得中微子可以传播很远的距离,从最遥远的星系来到地球。由于行踪诡秘,因此中微子的研究格外困难。

利用光闪烁探测

为俘获这些微小的基本粒子,科研人员已潜入地下深处。SNOLAB 物理实验室位于加拿大安大略省萨德伯里的一个镍矿之中。在这里,科学家可以进入占地 5,000 平方米的洁净空间,而 2,100 米厚的岩石层保护实验室免受宇宙辐射影响,只有中微子可以穿透此屏障。实验室中心是一个中微子探测器,由直径为 12 米的球形丙烯酸容器组成。

对于目前以 SNO+ 为名开展的实验,容器内装有 800 公吨以直链烷基苯 (LAB) 制成的特殊液体。这种液体在电离辐射刺激下会释放出紫外线。紫外线反过来会刺激溶解在液体中的着色剂,进而发出蓝色荧光。当中微子穿过液体时,若离原子核足够近,便可触发相互作用,从而产生微弱的光闪烁。与此同时,容器周围的高敏感传感器可以检测这种闪烁。

为确保成功检测到亚原子粒子,必须清除直链烷基苯中的所有无用物质,而真空技术则可以做到。借助真空泵,清洁系统中将产生 20 毫巴的负压。在 238 度的高温下,即便最微小的重金属也能通过多级蒸馏过程从液体中清除。之后,水蒸气和氮气再次在真空下,穿过汽提塔中的液体。这将逐出氡气、氪气、氩气和氧气,调节液体中的水含量。位于真空泵排气口处的冷凝器确保水蒸气的可靠回收。此时,清洁过程产生的废气会得到冷却、液化并灌注到收集容器中。

中微子研究获得诺贝尔奖

在新的 SNO+ 实验中,直链烷基苯将替代初始 SNO 项目容器中灌注的重水。凭借这些首开先河的研究,SNO 实验的负责人阿瑟•麦克唐纳 (Arthur McDonald) 荣获 2015 年度诺贝尔物理学奖。1999 年至 2006 年期间,他利用此重水来研究太阳发生核聚变反应时产生的中微子。然而,研究并未得出之前标准物理模型所预言的中微子零质量的结果。 

相反,发现的偏差可以利用中微子振荡理论加以解释:三种不同类型的中微子(电子、μ子和τ子)能够相互转换。然而,无论多么小,这种现象只有在中微子存在质量时才有可能发生。 

与使用重水的最初实验相比,中微子与直链烷基苯相互作用,发出更显著的光芒。新实验的主要目的是研究颇具争议的中微子双 β 衰变过程,而液态直链烷基苯还可以用于检测质子-电子-质子 (PEP) 反应产生的太阳中微子。其他目的还有,探测地球放射性衰变过程中产生的反中微子,以及核裂变反应产生的反应堆中微子。如果一颗超新星出现在我们星系中,它还可用于探测超新星中微子。借助中微子测量,研究人员希望进一步了解宇宙的基本力量。

自 2012 年以来,Snolab 一直使用 Busch 的真空技术。


订阅《真空世界》新闻通讯!
现在订阅,随时关注真空世界的最新趣闻。

订阅

您是否想了解更多?
请直接与我们联系 (Busch ):
+86 (0)21 67 60 08 00 联系我们