[中配]揭秘宇宙奧秘的巨型機器：JUNO解析中微子

嘿,看看這個龐大的建築,這不是一臺實踐機器 它也不是通往另一個維度的門戶,儘管看起來像一個 這臺非凡的機器被稱爲江門地下中微子觀測站 簡稱Juno,藏身於2300英尺的地下,遠離窺探的目光 它旨在研究宇宙中最奇特、最神祕的粒子之一——中微子 常被稱爲幽靈粒子的中微子,極難探測 但可能爲宇宙最大的謎題提供重要線索 包括物質如何形成,以及我們目前對物理學的理解是否需要升級 中微子是在覈反應中產生的亞原子粒子 如太陽、爆炸恆星和地球上的核反應堆中的反應 它們是宇宙中僅次於光子最豐富的粒子 現在把你的手舉到臉前 數萬億個中微子正穿過它,卻沒有留下任何痕跡 它們幾乎從不與任何東西互動 不是你的身體,甚至一堵八光年後的天牆也無法阻止它們 這使得它們的研究變得異常困難 中微子也很特別,因爲它們的行爲與大多數粒子不同 它們有三種口味,巧克力、草莓 哦,我是說電子中微子、大中微子和車中微子 並且它們在旅行時可以在這些類型之間切換 這種被稱爲震盪的行爲與它們的質量有關 這仍然是一個謎 沒有人確切知道中微子的重量 甚至不知道哪個類型最重 而這就是Juno大顯身手的地方 它的目的是弄清中微子的質量層次 即它們質量的順序 如果科學家能夠弄明白這一點 它可能會幫助我們解決一些物理學上最大的難題 Juno是一個巨大的球體 裏面裝有2000種叫做閃爍體的特殊液體 閃閃發光,是吧? 好吧,我停下來了 當粒子與這種液體相互作用時 它會微微發亮 在球體周圍有43000個超靈敏的光探測器 它們將捕捉到這些微小的閃光 你可能會問,爲什麼要建在地下? 好吧,宇宙射線和其他背景粒子不斷與地球碰撞 如果Juno建在地表 這些粒子會淹沒靈敏的探測器 通過將其隱藏在數百英尺的岩石下 科學家們可以屏蔽大部分噪音 從而使它們能夠專注於中微子 Juno距離兩座核電站也不到33英里 這些核電站通過油和米在反應堆中的放射性衰變 產生了大量的中微子 特別是中微子對應的反物質粒子反中微子 通過研究這些反中微子在前往Juno途中如何變化 科學家希望揭示中微子的質量層次 現在讓我們來看看 當反中微子與Juno的探測器發生作用時 會發生什麼? 它與液體中的質子碰撞產生了一個正電子 正電子是電子的反物質版本以及一箇中子 正電子立刻與電子碰撞釋放出一束光 與此同時 中子需要約200微秒的時間與原子核結合 釋放出另一波射線 這兩次光的閃爍第一次來自正電子 第二次來自中子 是中微子相互作用發生的關鍵信號 而這兩次光暴之間的時間間隔 有助於科學家區分真實的中微子信號與其他背景事件 比如宇宙射線 但即使有這樣複雜的設置 Juno每天也只能探測到大約40到60箇中微子 而每秒有數十億個中微子經過 因此爲了收集足夠的數據以得出結論 這個實驗必須運行幾年 目標是記錄十萬箇中微子事件 現在問題是 我們當前對宇宙的理解基於粒子物理學的標準模型 它在解釋粒子和力如何相互作用方面是非常成功的 但標準模型存在一些空白 它並不能解釋暗物質、暗能量 或者爲什麼宇宙主要由物質而非反物質構成 中微子可能揭示這些謎團的一些答案 例如它們的相互作用和振盪方式 可能暗示着超越標準模型的新物理 現在Juno是一個真正的全球性項目 涉及來自18個國家的約700名科學家 這個實驗首次在2008年提出 並面臨許多工程和後勤方面的挑戰 但希望它能在2025年開始運作 畢竟這項3億美元的科學與工程投資 可能會帶來突破性的發現 但江門並不是唯一一個用於研究中微子的科學設施 在南極冰層深處 靠近阿蒙森斯科特南極站 隱藏着一個巨型中微子觀測站 IceCube 想象一個幾乎有四分之一立方英里大小的探測器 完全由冰構成 並能探測中微子 這是有史以來第一個千兆噸級的中微子探測器 隱藏在南極表面以下 4700到8000英尺之間 成爲一件龐大的科學儀器 主要探測器由超過5000個數字光學模塊組成 這些靈敏的光傳感器連接在86根垂直的冰凍繩索上 這些光纜以六邊形網格排列 每根光纜上連接60個數字光學模塊 它們共同構成了一個龐大的三維陣列 當一個neutron與冰中的原子相互作用時 它可以產生一個在冰中移動速度超過光速的帶電粒子 這會產生一種微弱的藍光稱爲切倫科夫輻射 科學家觀察這種光能夠理解中微子的能量方向和來源 ISQ的主要目標之一是揭示宇宙射線的來源 這些粒子是能量極高的粒子 主要是質子幾乎以光速穿越太空 它們的能量可以比地球上最強大的粒子 加速器產生的能量高出數百萬倍 科學家認爲它們來自極端的宇宙環境 但到目前爲止,它們的確切來源仍然是一個謎 這就是爲什麼它們在移動時會被磁場偏轉 從而使得直接追蹤它們的軌跡變得不可能 然而中微子不會被偏轉或吸收 因此它們攜帶着關於其來源的未被改變的信息 ISQ的設計旨在探測這些中微子 讓我們能夠了解宇宙射線的起源 自2010年全面投入運營以來 ISQ已經做出了一些開創性的發現 它探測到了第一批高能天體物理中微子 證明這些粒子來自我們銀河系之外 2018年,ISQ將一個高能中微子的來源準確定位爲一個類星體 這是一種中心有超大質量黑洞並噴射粒子噴流的星系 所以我們看到一個隱藏在地下的天文臺 另一個則被冰層凍結 建造一個水下望遠鏡怎麼樣? 在太空中部署望遠鏡已經是個大事件 但將它們放置在深海中則是一個完全不同的挑戰 現在想象一下這個場景 科學家們在地中海的一艘船上 在海上度過數週迎接波濤洶湧 克服暈船的挑戰 他們並不是在研究星系 他們也在追蹤中微子 計劃是在地中海建立一個巨型水下望遠鏡 使用光探測器來發現這些微小的粒子 立方公里中微子望遠鏡是一個旨在捕捉它們的巨型項目 它將在地中海覆蓋一個立方公里的水域 配備水下探測器 基本上將海洋的一部分變成一個巨型望遠鏡 這些望遠鏡不是用來觀察星星的 這架望遠鏡不是使用鏡頭或鏡子 而是利用懸掛在水下長纜上的玻璃球 把它想象成一串發光的珍珠項鍊 這些球體內部裝滿了靈敏的設備 能夠探測到中微子撞擊水時產生的微弱光線 這些探測器一次一根地被放入海中 每根纜繩可以長達2300尺 最終將會有數百根這樣的纜繩 所有傳感器都懸掛在上面 目標是建造世界上最大的 最複雜的中微子探測器之一 這個望遠鏡有兩個部分 一個位於西西里海岸 另一個位於法國南部 西西里望遠鏡專注於探測來自深空的高能中微子 那些是由黑洞或爆炸星球等極端現象產生的例子 法國的望遠鏡專注於探測大氣中微子 這些中微子有點不同 它們來自地球的大氣層 可以幫助科學家研究中微子在傳播過程中如何轉變形態 中國計劃修建一條連接中國大陸和美國的鐵路 這條鐵路將從東北地區開始 然穿越俄羅斯東部的西伯利亞 然後它將穿越白令海峽 進入美國的阿拉斯加州 通過一條125英里長的水下隧道 然後它將流經加拿大的玉空山脈和普列顛哥倫比亞省最終抵達美國 到達後它可以與美國所有主要火車站連接 總距離是多少 大約8000英里 這個中俄加美鐵路網絡於2014年由一群中國工程師構思 他們設想了一條重大的洲際鐵路 他們聲稱如果這個項目建成 從中國到美國只需兩天的旅程 無需去機場 火車之旅比飛機更平穩 因爲人們提供了更好的機會 讓他們能夠體驗在地面旅行而不是在空中飛行 旅程本身甚至可以促進四個國家的旅遊 儘管從中國到美國的飛機飛行時間僅爲14小時 這取決於你來自哪裏 任何人都能體驗到 透過窗戶看到自己飛馳在大地上的樂趣 這個新的鐵路系統將比世界上最長的西伯利亞鐵路長1800英里 而隧道本身將是英吉利海峽的四倍長 如果這個項目獲得批准 總費用將達到2000億美元 在主要表面上建造不會那麼麻煩 也不會像人們想象的那樣具有挑戰性 但白令海峽的隧道建造需要許多技術 嫺熟且經驗豐富的工程師 他們已經想出了實現的方法 將分爲三層雙向通行 上層將容納高速列車 而下層將用於緩慢行駛的貨物和乘客 中層將用於緊急情況 貨運列車可以運輸多達一噸貨物 佔歐洲俄羅斯中國日本韓國加拿大和美國之間 全球貨運貨物的8% 想從阿拉斯加前往俄羅斯的乘客 反之亦然 只需乘坐20分鐘的高鐵即可到達目的地 單單在白令海峽的隧道就要花費大約350億美元 從開始到完成可能需要12到15年的時間 該項目將涉及多家國際公司和建築公司協助完成 如果資金到位 這可能會是歷史上最昂貴的項目 它必須足夠堅固 以承受白令海峽冰冷的水域和周圍強烈的波浪 中俄加拿大美國鐵路將是歷史上最昂貴 最雄心勃勃的重大工程完成需要多年時間 但根據一些資料 中國對其擁有進行這種規模工程所需的技術充滿信心 這將永遠改變交通行業 並促進各大洲的旅遊業發展 如果這個項目能夠建成 那麼從葡萄牙的火車站一直到美國旅行 在技術上是可行的 歐洲擁有一個令人印象深刻的火車網絡 各個線路相互連接 從東歐到中亞 你可以從某些國家坐火車一直到達中國 在過去20年中 中國的高速鐵路網絡發展迅速 它擁有世界上最大的高速鐵路網絡 覆蓋超過23000 該列車總部位於上海 也是目前商業運營中速度最快的列車 最高時速可達270英里 所以一旦來到中國 你可以上任何一列火車 迅速前往你想去的地方 只通過火車從一個大陸旅行 到另一個大陸將是終極的旅行體驗 不需要乘坐飛機出行了 所以如果你害怕飛行 那麼這將是完美的旅行方式 但在水下修建鐵路隧道並不簡單 最優秀的工程師必須提前識別所有風險 例如海底隧道是一條水下火車 只需兩個半小時就能將你從倫敦送到巴黎 行駛速度極快 這類火車配備了市場上最先進的技術 以確保舒適的旅行 如果你有任何工作要做 只需打開你的筆記本電腦並連接到WiFi 想休息一下嗎 去咖啡館快速喝一杯 享受那種休閒的氛圍和美味的飲品吧 如果你想看電影或追喜歡的電視劇 火車上也有這個服務 你不會感覺到時間的流逝 因爲你可以在商務頭等艙的豪華皮椅上放鬆身心 火車時速約爲186英里 被認爲是世界上最長的水下隧道 因爲其大部分都在水下 隧道本身長達31英里 耗資63億美元 它於1988年開始建設 並在6年後的1994年完成 它被認爲是現代世界七大奇蹟之一 與紐約的帝國大廈 巴拿馬運河 或舊金山的金門大橋齊名 就像中國與美國之間一樣 夢想工程 這條隧道也有三條軌道 其中兩條用於列車 另一條較小的用於緊急情況 每艘航天飛機長2500英尺 建造它需要一萬三千名員工 儘管許多人有機會訪問愛情之城 巴黎和歐洲的多元文化中心倫敦 但這條隧道也被用於進出口 根據一些報告 每年通過隧道往返於英國 和其他歐洲國家的貿易商品 佔交易商品的26% 中國批准了首條 從靠近上海的寧波港 到舟山的水下高速列車 舟山是中國東海沿岸的一組島嶼 全新的鐵路將延伸約50英里 其中相當一部分建於水下 更酷的是 這類火車將依靠磁性軌道 火車廂將在軌道上懸浮 並迅速駛離 如果這個項目成爲現實 那麼它很可能就像乘坐皇家馬車一樣 您可以預定帶有多個臥室 和設施的艙房和客房 在任何儀式上 你都會被當作貴賓對待 全天候爲你提供不斷的娛樂和美食 票價可能會有所不同 但仍然很貴 所以下不見得每個人都能負擔得起 當然在所有區域都有高速WiFi 座位也是世界上最好的之一 可以在歐洲生活而不坐飛機 就能在亞洲工作 甚至在俄羅斯生活 同時在阿拉斯加工作 也可以成爲現實 如果你在美國 你也可以留在地面上 通過網絡抵達倫敦 一旦你到達歐洲 就需要乘火車去巴黎 再通過海底隧道前往倫敦 但到目前爲止 這個項目還沒有任何消息 它遭遇了經濟壁壘 仍處於構思階段 許多批評者毫不留情的指出 這個項目可能不會徹底改變交通行業 反而可能讓其陷入更深的困境 他們聲稱貨船和航班同樣好 而且便宜的多 因此沒有必要爲 可能只有少數人能使用的東西 投入如此鉅額資金 通過火車運輸貨物 不一定會比飛機或船隻更快 如果這個火車網絡取代了貨運和航空 那麼許多從事航空行業的人 將不得不換工作 轉向鐵路 當然這樣的事情不可能一蹴而就 可能需要幾十年的時間 這個項目甚至可能爲亞洲和非洲的國家 開闢建設互聯互通的 超級高速鐵路網絡的機會 有一天你可能會乘火車 從南非一路旅行到美國 途經非洲 中東 中亞 中國 俄羅斯 最終抵達美國 如果火車網絡進一步擴展 它可以覆蓋整個南美洲 這會讓你的旅程更長 它可以覆蓋世界上除南極州外的每個大洲 想象一個全球高鐵網絡 連接地球上每一個車站 今天就到這裏 那麼嘿 如果你滿足了好奇心 就給這個視頻點贊並分享給你的朋友吧 或者如果你想要更多 就點擊這些視頻 繼續關注Bright Side