费米实验室与微中子探索之旅

在粒子物理研究领域，费米实验室作为重要科研基地，汇聚了来自世界各地的科学家，共同探索基本粒子的奥秘，推动着高能物理的发展。

中微子束的制造与探测

中微子束的制造是一个复杂的物理过程。在费米实验室的环状加速器系统中，质子束在周长为3.3千米的主注入器中加速至接近光速，然后撞击铍靶产生π介子和K介子。这些介子在衰变通道中衰变成μ子和中微子。最终，μ子被束流吸收体阻挡，而中微子继续传播。这样，一束准直的中微子束便形成了。

为了探测这些中微子，费米实验室设计了精密的探测器。当中微子束穿过地球抵达桑福德地下研究设施时，会与探测器中的原子核发生相互作用，产生次级粒子。这些相互作用事例被记录下来后，科学家可以通过分析事例图像来研究中微子的性质。

DUNE：探索宇宙的新篇章

DUNE（深层地下中微子实验）是费米实验室主导的重大国际合作实验，将成为美国高能物理研究的标志性项目。实验的主要目标是研究中微子的味振荡现象以及探索可能的惰性中微子。为此，费米实验室的加速器将产生峰值功率800kW的质子束，将其传输至1300千米外的南达科他州利德市的桑福德地下研究设施。

在DUNE探测器中，液态氩时间投影室将发挥关键作用。探测器需要维持在零下186摄氏度的低温环境，以保证氩气处于液态。随着粒子束传播距离增加，其发散角会逐渐增大。由于中微子与物质相互作用截面极小，束流可以穿透地球而不需要隧道。实验中还需要考虑来自宇宙射线和太阳中微子的本底干扰，科学家已经开发了专门的方法来区分这些本底信号。

科研数据与设施

在费米实验室的研究中，产生了大量宝贵数据。宇宙中每立方厘米约有300个中微子，它们可以自由穿过物质，平均需要穿越一光年的铅才能发生一次相互作用。中微子从费米实验室到明尼苏达州探测器只需2.7毫秒。NOvA探测器由塑料闪烁体和光纤构成，能够精确记录中微子事例。

NOvA实验探测到的部分中微子可能产生于宇宙早期。在费米实验室，科研人员正在进行多项工作：调试NOvA探测器、测试DUNE的低温系统、分析实验数据等。

用于测试DUNE的低温容器装有零下186摄氏度的液态氩

中微子相互作用与未来研究

当中微子与NOvA探测器中的原子核相互作用时，会产生带电轻子和强子簇射。科学家通过加速器产生的高能质子束来研究中微子相互作用过程。中微子束穿透地球传播，其相互作用事例会被探测器记录。当相互作用发生时，探测器中的闪烁体会发光，这些光信号被光电倍增管转换为电信号记录下来，供物理学家分析研究。

随着实验技术的进步，人类对中微子的认识将不断深入。费米实验室的科研团队将继续开展中微子研究，探索基本物理规律。科学家们也将继续在这一领域做出新的发现。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：梁忠伟 中国机械学会微纳制造、智能运维专委会理事、中机联绿色制造专委会常务委员

来源: 科普中国创作培育计划

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