地下物理實驗：在地下深處尋找中微子

被稱為主注入器中微子振蕩搜尋（Main Injector Neutrino Oscillation Search，簡稱MINOS）的實驗是一個新的物理實驗，它將數(shù)千噸的鋼——一個大的粒子加速器和40英里的堅固巖石組合在一起，以揭示一種有時似乎不存在的粒子的秘密。該實驗開始于二十世紀八十年代，后來設(shè)計和建造了探測器的部件。通過提供對中微子一些最基本特性的首次精確測量結(jié)果，MINOS實驗的物理學(xué)家們期待對這些粒子在形成宇宙時所起的作用獲得新的見解。 

中微子沒有電荷。它們在一些像照亮星體聚變過程中發(fā)生的那些核反應(yīng)中大量產(chǎn)生。但中微子很少與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用。太陽產(chǎn)生的中微子能夠，通常的確穿過整個地球而沒有與一個單個的原子發(fā)生相互作用。

中微子有三種：電子中微子、謬子中微子和陶中微子。最重的中微子重量可小到電子質(zhì)量的千萬分之一。中微子總是從一種變?yōu)榱硗庖环N，然后又變回來。每個中微子實際上是三種類型或味的量子—機械混合。隨著時間的推移，伴隨不同味的量子波走亂步伐，電子中微子似乎變成為謬子中微子或陶中微子，然后變回來。這個振蕩提供粒子實際具有明顯的非零質(zhì)量的最佳證據(jù)。

但正是使物理學(xué)家們對中微子感興趣的中微子特性使得物理學(xué)家們難以對其進行研究。如果它們穿過整個地球而不與任何東西發(fā)生相互作用，怎么才能觀測到它們呢？

MINOS實驗計劃制造很多的中微子，讓它們對準一個大的探測器，在源和探測器之間有很長的距離，使中微子有機會振蕩。

美國費米國家實驗室專建的一條束線產(chǎn)生幾乎全是謬子中微子的束流，它穿過位于費米實驗室的MINOS近程探測器，然后到450英里以外位于明尼蘇達州的遠程探測器。所走的大部分路程是在威斯康星州地下深10公里處。在路途中一些粒子變?yōu)樘罩形⒆?，少?shù)被探測器記錄下來。數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)變化機制，更好地估計每種類型中微子的質(zhì)量和更多類型的中微子。

MINOS實驗設(shè)施由來自6個國家的30多個研究所、大學(xué)和科研機構(gòu)組成的合作組建造。費米國家實驗室起關(guān)鍵作用。實驗設(shè)施的建造于2005年初完成，現(xiàn)正啟動最初5年運行的實驗。阿貢國家實驗室高能物理部建立了在加州理工學(xué)院、明尼蘇達大學(xué)和阿貢國家實驗室加工塑料閃爍探測器模塊的工廠，制造了多數(shù)接收和記錄來自費米國家實驗室近程MINOS探測器信號的前端電子學(xué)，并在探測器的安裝和調(diào)試中發(fā)揮了重要作用。 

左圖為物理學(xué)家Tacy Joffe-Minor展示其中一個最小探測器部件中的閃爍光釬。阿貢實驗室高能物理部發(fā)明了許多制造插在構(gòu)成遠程和近程探測器的塑料和光釬模塊的制造技術(shù)。右圖為磁變焦透鏡–阿貢物理學(xué)家Bob Wagner對其中一個磁角進行磁測。磁角像個變焦透鏡，能夠?qū)①M米實驗室產(chǎn)生的帶電粒子束聚焦。

領(lǐng)導(dǎo)費米實驗室MINOS實驗組的David Ayres說：“這將是在流強非常高的受控條件下所做的第一個長基線中微子實驗，所以我們實際上能夠精確測量這些振蕩參數(shù)?！?/SPAN>

主注入器中微子（NuMI）

產(chǎn)生中微子是費米實驗室主注入中微子(NuMI)工程的任務(wù)。中微子產(chǎn)生的過程多數(shù)發(fā)生在一條新的一公里長的隧道里（右圖），該隧道始于主注入器，一個大的粒子加速器，然后傾斜向北進入地下。

中微子的產(chǎn)生始于質(zhì)子沿主注入器運行時獲得能量。每個粒子的能量達到120 GEV的質(zhì)子束被從加速器引出，并被瞄準石墨靶。

Ayres說：“即使用費米的標準衡量，這都是個流強非常高的束流。我們正采取非常嚴厲的措施來監(jiān)控作為產(chǎn)生中微子過程副產(chǎn)品而產(chǎn)生的放射性物質(zhì)?！?nbsp;

直徑1毫米的質(zhì)子束與長約3英尺的石墨長方形堆靶中的碳原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生次級粒子簇射。次級粒子束包括介子，由夸克和反夸克組成的粒子家族。束流被兩個磁角，喇叭形由200,000安培電流脈沖驅(qū)動的金屬設(shè)備聚焦。靶和角之間的距離可像變焦距鏡頭改變，以便靶中形成的帶電粒子束能夠聚焦。在實驗過程中，這種設(shè)計可易于改變介子束的能量和產(chǎn)生的中微子束。

左圖為喇叭形NuMI束流磁聚焦系統(tǒng)，右圖為MINOS遠程探測器

次級粒子進入2000英尺長的管道，在那里衰變成數(shù)萬億個中微子和其他粒子。衰變管道在強子吸收體中結(jié)束。強子吸收體是個水冷卻阻止剩余質(zhì)子和介子的鋁鋼塊和混凝土堆，后面是240米未曾挖掘過吸收謬子的巖床。絕大多數(shù)中微子愉快地通過這些較小的障礙物。

謬子吸收體的后面是距地面300英尺的一個大的腔體，里面有MINOS近程探測器——一個小型號MINOS遠程探測器。其980噸的鋼和閃爍體為從NuMI束流出現(xiàn)的未振蕩的中微子提供參考。通過近程探測器后，中微子束的直徑約為6英尺，并以3.3度角向北-西北方向前進，進入地球。通過堅固巖石的450英里的路程花費0.0025秒。 

MINOS遠程探測器

明尼蘇達州的蘇丹（Soudan）是個小鎮(zhèn)，距 Boundary Waters Canoe Wilderness區(qū)幾英里，是地下半英里處已停止開采的鐵礦所在地。設(shè)施現(xiàn)在由明尼蘇達州作為蘇丹地下礦州立公園加以管理，需要在很深地下實驗室防止實驗受到對地球表面大量宇宙輻射的物理學(xué)家們，很容易來此處開展實驗。

在蘇丹一個小山頂下約2,450英尺處，利用蘇丹礦歷史性的礦井和提升設(shè)備，為MINOS實驗開挖了一個探測器大廳，長度相當一個足球場，高50英尺。MINOS遠程探測器幾乎占了大廳的一大半。

探測器本身有6000噸重的八角形金屬板，厚1英寸，寬近30英尺。通過礦井，將每塊金屬板按27×6英尺的截面放入礦中，然后由工程師和技術(shù)員在地下進行組裝和測試。每塊金屬板之間有一層窄條的透明塑料閃爍體。（左圖為龐大的中微子探測器）

每天數(shù)十億由NuMI產(chǎn)生的中微子通過MINOS遠程探測器。其中，只有10個撞擊里面的原子核并被探測到。其余的穿過探測器而沒留下蹤跡，脫離靠近Boundary Waters的土地，繼續(xù)前進，進入空間。 

上圖為MINOS遠程探測器的最新事例

塑料閃爍體中的粒子簇射

在其中一個鋼探測器平面中發(fā)生相互作用的每個中微子產(chǎn)生一個次級粒子簇射。次級粒子與塑料閃爍體中的原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生微弱的閃光。光電倍增管將光轉(zhuǎn)換為電脈沖，電脈沖被送到電子學(xué)組件，電子學(xué)組件對信號進行解釋。來自費米實驗室方向的中微子被挑選出來以便做為進行進一步研究：有多少謬子中微子變?yōu)樘罩形⒆?？它們的軌跡揭示了有關(guān)振蕩機制的那些東西？來自其他方向的中微子可能來自宇宙線，也是物理學(xué)家們感興趣的。

對中微子物理的理解將有助于對超新星，即當巨大星體用盡燃料并自我崩潰的巨大爆炸做出解釋。這些大的爆炸形成宇宙和形成星體和維持生命所需要的元素。從MINOS數(shù)據(jù)中可能會得到其他一些答案和發(fā)現(xiàn)一些新的問題。

Ayres說：“我們處于一個新的領(lǐng)域。向來還沒有人用這樣的束流或像這樣的探測器做過實驗。我們對中微子振蕩進行精確測量的努力有機會獲得一些完全出乎預(yù)料，甚至比我們確定研究的更為重要的東西。”

未來的方向

阿貢國家實驗室高能物理部在設(shè)計新的更大探測器利用NuMI束流中起到關(guān)鍵作用。稱為NOvA的探測器是MINOS遠程探測器的5倍。該探測器也放在明尼蘇達州北部，放在遠離束流軸心一側(cè)幾英里的地方，那里中微子束流的能量分布更為狹窄。這就能夠大力尋找來自費米實驗室的謬子中微子振蕩產(chǎn)生的電子中微子。在阿貢實驗室正在建造其中一個30,000噸PVC塑料和液體閃爍體平面樣機。如獲得經(jīng)費，新的探測器將用大約4年時間建成。 

NovA探測器結(jié)構(gòu)略圖顯示132米長的探測器分為32個平面塊。正視平面的局部剖視圖顯示交替層的水平和垂直擠壓模塊

阿貢實驗室的高能物理部還計劃搞一些新的實驗，利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子研究電子中微子振蕩，希望找到最后剩下的中微子振蕩之迷，以便將來研究中微子中的CP對稱破壞。

高能所科研處制作，內(nèi)容由侯儒成譯自ANL網(wǎng)站