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超级神冈探测器升级,或可解开各类元素诞生之谜

2020年08月28日 海洋宇宙

东京大学宇宙射线研究所等组成的实验团队日前宣布,为了能在全球首次捕获宇宙初期的恒星爆炸释放的基本粒子中微子,对观测设施“超级神冈探测器(Super-Kamiokande)”(位于日本岐阜县飞騨市)进行了改进,提高了其灵敏度。具体来说,是在水槽内的纯水中加入了稀土钆。该成果有助于理解宇宙大爆炸现象,以及解开宇宙中形成各种元素的奥秘。

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超级神冈探测器的内部(图片由东京大学宇宙射线研究所神冈宇宙素粒子研究设施提供)

超级神冈探测器是位于地下一千米处的中微子观测设施。在内壁铺满传感器的巨大水槽中储存了约5万吨纯水,于1996年开始进行观测。

大质量恒星会在其一生的终点会发生名为“超新星爆炸”的爆炸现象。其能量大部分作为中微子释放出来,要想查清爆炸的机制,就要反复观测中微子。另外,目前的宇宙中存在的相对比较重的元素被认为是通过超新星爆炸形成的,要想查清这一点也必须观测中微子。

超级神冈探测器的上一代设施“神冈探测器(Kamiokande)”在1987年于全球首次观测到来自超新星爆炸的中微子,主导建设的东京大学特别荣誉教授小柴昌俊也获得了2002年的诺贝尔物理学奖。但这是迄今为止唯一一次观测到的超新星爆炸,发生在离地球约16万光年的距离。爆炸自宇宙诞生之初就一直在发生,但以往的神冈探测器的性能不足以捕获遥远宇宙中的微弱中微子,无法与其他现象区分开来。

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超新星爆炸释放的中微子的观测概念图。上部的圆筒表示超级神冈探测器(图片由东京大学宇宙射线研究所神冈宇宙素粒子研究设施提供)

因此,实验团队决定利用钆来提高灵敏度。中微子进入水槽内会产生正电子并发光,钆可以捕获此时形成的中子并再次发光。通过对其观测,能确定是否是超新星的中微子。

实验团队8月21日宣布,已于8月17日完成添加钆的作业。此次钆的浓度为0.01%,可以捕获50%的中子。实验团队计划花费数年时间进一步提高浓度,通过7~8年的观测,于全球首次捕获宇宙初期的超新星爆炸产生的中微子。

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利用钆的观测概念图(图片由东京大学宇宙射线研究所神冈宇宙素粒子研究设施提供)

在线举行发布会的实验团队代表——东京大学教授中畑雅行表示:“超级神冈探测器由此获得了新生。我们身边的物质是何时诞生的,又为何会诞生?希望能通过它彻底理解超新星及其根源。”

超级神冈探测器实验是由日美欧等10个国家约40家机构的约180名研究人员共同推进的国际联合研究设施,已经取得一定的成果。荣获东京大学卓越教授称号的梶田隆章(宇宙射线研究所所长)1998年发现中微子有质量,并因此获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

日语发布原文

日文:JST Science Portal 编辑部
中文:JST 客观日本编辑部

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