目前世界上已有的地球中微子探测器是如何来捕捉中微子?

“捕捉”地球中微子并不是件容易的事。这是因为,中微子个头小、不带电,质量非常轻,以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”
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火星一号

2017年09月17日·中国科普作家协会会员 优质科学领域创作者

中微子是一种神秘莫测的基本粒子,由于它们的质量极低,所以很难与物质发生作用,这意味着它们可以随意穿透物体。虽然太阳通过核聚变产生了大量的中微子,但由于它们的奇特穿透性质,这些中微子到达地球后很难被我们探测到。此外,宇宙射线击中地球高层大气中的原子也会产生一些中微子。因此,每时每刻都有大量的中微子进入地球,并且穿过我们的身体,而我们对此一无所知。那么,难以捉摸的中微子是如何被探测到的呢?

我们知道,原子的结构包括原子核以及绕原子核运动的电子,原子核又是由质子和中子通过核力结合在一起。质子和中子均是由三个夸克组成,质子包含两个上夸克以及一个下夸克,中子包含两个下夸克以及一个上夸克。

如果中微子进入原子核中,将可能会撞上夸克。当夸克吸收了中微子的能量之后,夸克的“味”将会发生改变,比如上夸克转变成下夸克。因此,这可能导致中子转变为质子,从而改变了元素。例如,氧-16可以转变成氟-16,并且释放出某些特定短波长的光子。大体上,中微子探测器就是利用这样的过程来探测中微子。

由于中微子产生的相互作用非常微弱,为了避免宇宙射线对中微子探测器的干扰,探测器通常被安置在地下深处。例如,冰立方中微子天文台位于南极地下1.9千米的地方。厚厚的地层能够阻挡宇宙射线,但中微子可以穿透其中到达位于地下深处的探测器。中微子探测器中装有大量的液体,它们吸收中微子的可能性较高,例如重水或者四氯化碳。此外,中微子探测器还配备了光检测器,用于检测中微子与原子核在相互作用过程中释放出的特定波长光子。

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