客观日本

“忍者实验”,探寻中微子之谜

2021年03月22日 化学材料

在当今数码相机全盛时代,胶片摄影往往被视为过去的技术,但在基本粒子研究的最前沿,胶片仍占有一席之地。利用一种名为“原子核干板”的胶片,能以千分之一毫米的高分辨率拍摄中微子与原子核碰撞后发生的反应。胶片有望成为揭开中微子谜团的新突破口。

日本名古屋大学的福田努特任助教兴奋地表示:“全球首次捕捉到了中微子与构成水分子的原子核碰撞后低能质子飞散的情景。”福田特任助教是在茨城县东海村的高强度质子加速器设施“J-PARC”中实施的“NINJA实验”的负责人。NINJIA为日文“忍者”的发音。

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J-PARC里的NINJA实验装置(图片由名古屋大学的福田努特任助教提供)

日本在中微子研究设施——神冈探测器和超级神冈探测器内实施的实验成果获得了两项诺贝尔物理学奖。两座设施都是巨大的水罐,利用安装在水罐内壁的传感器光电倍增管检测飞来的中微子与水分子的原子核碰撞后飞散的电子及μ子在水中移动时发出的微光。

不过,这种方法难以观测到应该会与这些粒子同时飞散出来的质子。福田特任助教表示,NINJA实验可以进一步加深对水罐中的中微子与原子核的反应的理解。

目前正利用超级神冈探测器实施中微子实验,探索宇宙中充满物质但几乎没有反物质的原因。福田特任助教等人的实验成果将为数据分析做出巨大贡献。中微子与原子核之间可能存在未知的反应,也可能存在新型中微子,实验结果还将为探索这些谜团提供很大的帮助。

记录从原子核中飞散出来的质子轨迹的,就是名为原子核干板的胶片。光电倍增管等普及之前,原子核干板作为物理实验的检测器在全球得到了广泛应用。不过,目前只有以福田特任助教所在的名古屋大学研究室“F研”为中心的研究团队拥有这项技术。

原子核干板能以高分辨率记录粒子的轨迹。即便是在数字技术发达的今天,其优势地位也不可动摇,只是利用显微镜读取轨迹比较费力。F研从1970年代初期开始在丹羽公雄(现为名古屋大学名誉教授)的主导下,着手推进这项一直依赖人力的工序的自动化。之后用半个世纪的时间逐渐完善了超高速读取轨迹的技术。

F研利用该技术推进了广泛领域的研究,除了以NINJA实验为代表的中微子实验外,还包括探索宇宙中存在的未知暗物质、观测γ射线天体、对金字塔、反应堆和火山进行透视,以及开发利用中子的显微镜等。

日文:中岛林彦、《日经产业新闻》、2021年3月10日
中文:JST客观日本编辑部