中微子束

天文学学学科术语

用高能质子加速器进行高能物理实验，首先需要引出各种次级束流。中微子束是各种次级束流中极为重要而又与其他各种次级束有所不同的一种。

中微子假说的提出与证实

β衰变现象被发现以后，物理学家们对它进行了认真的研究，发现衰变后的总能量比衰变前少，而且衰变前动量以及某些量子力学家中的守恒量也不守恒。为了解决这些矛盾，著名美籍奥地利物理学家泡利于1931年提出了在β衰变中原子核在发射电子的同时，还放出了一个既不带电量可能也不具有静止质量的粒子，这个粒子带走了丢失不见的能量。1933年，费密把这种粒子命名为中微子。中微子假说的提出，使大量实验现象得到满意解释。但是，由于中微子不带电荷，也没有质量或质量很小，因此验证它就成了困难。在长达四分之一世纪的时间里，它被看做是 “幽灵粒子”。

1941年，中国物理学家王淦昌建议通过氢原子核俘获k壳层电子释放中微子时所产生的反冲探测中微子。在这类过程中，所产生的原子核的反冲能量和动量将仅同发射的中微子有关。他的设想《探测中微子的建议》发表于1942年1月出版的美国《物理评论》。接着，美国物理学家阿伦就此进行了Be的k俘获实验，证实了王淦昌的预言。1942年，日本物理学家板田昌一从理论上分析预言存在两种中微子。美国物理学家科恩及莱因斯在高通量反应堆中进行实验，首先检测到核反应堆中产生的自旋与运动方向相同的反中微子的稀有俘获，从而证实了中微子的存在。1961—1962年，美国哥伦比亚大学的莱德曼等人用同步加速器加速的高能质子打击铍靶，用产生高能中微子束进行实验，证实了两种中微子的存在。中微子的发现为弱相互作用的研究奠定基础。

加速器中微子束流

而中微子束则不能由初级束直接打靶产生，它是次级粒子的衰变产物。设计和建造中微子束流是进行加速器中微子物理研究必须具备的条件。束流的性能也将直接影响到中微子物理实验的水平。

中微子源

高能加速器中微子束源主要有两种：π介子束和K介子束。π、K介子衰变产生μ介子和μ子型中微子(νμ)，这两种中微子源都是从两体衰变得到的。

中微子束流线主要组成

靶区：从加速器引出的质子束打到靶上产生次级π、K介子。为了保证初级质子束与靶物质有效地发生相互作用以及防止次级束在靶中的吸收，一般选取2一3个相互作用长度。所谓相互作用长度是指在靶物质中产生一个相互作用所经过的平均距离。

聚焦区：主要作用是对π、K介子束进行聚焦，选取一定动量范围和同样电荷的π、K介子。在这里，除了采用通常的四极和二极磁铁外，还需采用特殊的聚焦装置——“磁号”(magnetic horn)。“磁号”是一个形状象传声简由铝合金制成的对带电π、K介子进行聚焦的装置。“磁号”本体可以分为内导体和外导体，内、外导体均通以电流，在两个导体间的空间内形成环形磁场。由于这种环形磁场对带电粒子的偏转作用，从而使“磁号”能对动员范围变化很大，发射角也很大的π、K介子束聚焦。

衰变区：这是一个抽成真空的管道,，在管道中π、K介子衰变为μ介子和μ子型中微子。

屏蔽区：其作用主要是吸收剩余π、K介子和其他强子以及不需要的μ介子。吸收物质主要是铁、水泥和土块等。

监视装置：在屏蔽体中沿束流线方向每隔一定距离开有与束流线垂直的孔道，在孔道内放置探测器(如固体径迹探测器、核乳胶或小型气体电离室等)，测量μ介子通量分布。由这种解介子通量分布来重建π、K介子谱，从而推得中微子的通量分布。

实验区：经过屏蔽体过滤的中微子束进人实验区的中微子探测器。

中微子束的种类

按中微子能谱的特征可分为宽带束(wide band beam)和窄带束(anrrow band beam)。根据聚焦情况的不同又可分为喇叭束(horn beam)、四极束、无聚焦束(亦称裸靶束)和双色束，前三种是宽带束，后一种是窄带束。

喇叭束：具有最强的中微子通量。其峰值通量可达109~1010中微子/m2·GeV·入射质子数(103)。聚焦的主要部件是“磁号”。喇叭束是常用的中微子束流，它适用于饱室和计数器实验。

四极束：由多重四极磁铁聚焦。其特点是：与中微子通量峰值相应的能量比其他束高，高能部分通量可以与喇叭束相比，适于作泡室或计数器实验。

聚焦束：没有聚焦部件，因此其通量比喇叭束和四极束都要低。它仅仅由一对选择通过衰变区的π、K介子符号的二极磁铁组成。操作比较简单且能产生较纯的中微子和反中微子束。

双色束：为了便于对所观察的中微子相互作用的分析，希望能同时知道入射中微子的能里Eν和入射角θν，这就需要设计双色束。双色束的原理主要是对次级π、K介子作符号和动量选择。

中微子天文学方法

通过探测天体发射的中微子研究天体的科学方法。60年代以后形成。中微子和一般物质的相互作用非常微弱，而各种天体活动产生中微子的数量又非常之多，因此在恒星内部产生的中微子能自由地穿透恒星表面。如果能对恒星发射的中微子进行探测，那么就能获得有关恒星内部结构的重要信息。

1956年在实验室中观察到中微子后，1962年美国布鲁克里文实验室已能产生出强大的高能中微子束。同一时期，在深矿井中进行了对太阳中微子的探测，实验结果表明，检测到的中微子约为按标准太阳模型计算值的1/3，这就是著名的“太阳中微子失踪之谜”。这个问题至今仍悬而未决。

另外，在恒星演化的晚期，中微子的作用变得越来越重要，其作用是：①发射中微子，带走了大量能量，加速了恒星演化的进程并缩短了恒星演化的时标;②对超新星爆发和中子星形成可能起关键作用。目前，科学家已拥有探测中微子的设备，如能实时观测到一次银河系内的超新星爆发，就可用实测资料分析爆炸的全过程，并检验有关理论。在广阔无垠的宇宙中，只要有物质和相互作用就有中微子存在。

从宇宙早期演化开始，就产生过大量中微子，这些低能宇宙背景中微子可能已存在了100亿年，如能设法探测到，这无疑将成为探索宇宙早期演化的一种手段。而各种高能天体(如射电星系、活动星系核和类星体)不断产生着能量极高、数量很多的高能中微子，对它们的探测应能提供许多前所未知的高能天体演化的宝贵信息。

中微子通信

这是一种采用中微子束来代替电磁波传递信息的无线通信方式。它可以冲破电磁波通信不可逾越的水下和地下这两大禁区，实现全球无线通信;它保密性好，传递信息快，不受外界干扰，对人体无害。这些优点是其他通信方式无法比拟的。

中微子通信过程和微波通信相似，有发射和接收装置。通信时，发射端首先用高能质子加速器，将质子加速到几千亿电子伏特的能量，然后去轰击一块金属靶子。此时，靶子的背面就会产生许多“短命”的介子，这些介子一边运动，一边发生衰变，从而变成中微子和μ子。再让它们共同穿过钢板，这时μ子被钢板阻挡并衰变了，剩下的就是纯净的中微子束。然后，再用信号对它进行调制，接着通过磁场控制载有信息的中微子束，使之按人的旨意朝一定方向传向目标。

接收端是一个贮有近亿吨水的大水箱，箱内的光探测器星罗棋布。当发射来的中微子束在水中传过时，就会与原子核中的中子发生核反应而生成μ子，μ子在水中高速前进，受到核的减速作用放出光子，这些光子进而被水中的光探测器接收，即可把原来中微子束所携带的信息解调出来，从而达到通信的目的。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省