身体的

中微子声音'intérieur de la Terre

这些壁纸颗粒已成为探测地球深度的工具,了解我们的行星如何产生热量。它们也可用于监测核电站。

威廉麦克唐尼夫,约翰学到了学习和斯蒂芬染料 科学418
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中微子是我们所知道的最谨慎的粒子。他们对材料进行了很少的互动,并检测它们是一项挑战。他们为什么对物理学家感兴趣?因为他们的基本属性仍然不完美;同样因为通过考虑一种类型的这些颗粒 - 通过β放射性产生的电子抗癫痫,物理学家和地球物理学家已经想象出颗粒物理领域的各种应用。

两种大型电子抗替蒂诺探测器,重量近1000吨,不断间谍地球内部,以帮助地质学家确定丰富的铀和钍及其在地球肠道中的分布。这些是地球的主要放射性热量生产商。第三个大型探测器将很快加入它们。这些探测器以及其他更小的探测器还可以监测世界各地的核反应堆(见图1)。下一代探测器甚至更大,将在几个区域(地质,反应堆研究和基本颗粒物理学的物理学)中使用。

这三种中微子 - 它被称为“味道”电子,多余和陶氏 - 对电磁相互作用的不敏感和强烈的相互作用,标准粒子物理模型的三个基本相互作用中的两个。换句话说,它们对弱互动仅敏感。它们比电子较轻至少一百万次。它们的相互作用概率非常低,这使得中微子难以检测。尽管存在这些障碍,但这些颗粒使得可以仔细地审查星星或我们的星球的肠道。

中微子仍然是粒子物理学基础研究的中心科目。科学家们还必须研究他们的群众或振荡等性质 - 这种中微子能够随时间从味道自发地改变的能力。我们将主要关注其在地质和核安全领域的使用。

中微子的存在于1930年由奥地利物理学家沃尔夫冈·保利地发布,使得保留β衰变的运动量。保罗认为,质子中子的转化反应不仅伴随着电子的排放,而且还伴随着当时的另一颗粒未知的问题,中微子,没有质量和不可检测的,除了作为缺失的运动量(见盒子以下)。但是,在1956年,美国物理学家弗雷德里克皇后和克莱德考

十年后,美国物理学家和化学家Raymond Davis将一个探测器安装在南达科他州领先优质的矿井深处,并为来自太阳的第一次电子中微子观察。但它只检测到太阳能模型中预期的三分之一,这估计了我们的明星产生的能量,融合反应的数量和发射的电子中微子流量。

这种赤字是今天众多实验证明了今天现象的第一个指示:中微子的挥杆。这些颗粒的一部分来自太阳在旅程中改变了味道,但戴维斯的经验并非设计用于检测其他两种中微子(壁画和南防中微子)。

风味振荡

从2002年,探测器 k 土地 (Kamioka液体Anteintrino探测器),位于日本Kamioka锌矿,在各种距离处监测来自数十个反应器的抗内丁诺排放。至于太阳中微子,物理学家强调了电子抗毒液改变了味道。

在粒子物理学的数学形式主义中,如果中微子是放入三种不同质量的颗粒(今天忽略这些群众的精确值),只能理解中微子振荡的振荡现象。

经验 k 土地 a été conçue pour étudier la physique fondamentale des antineutrinos électroniques, émis par des réacteurs situés à des distances variées avec des énergies pouvant atteindre huit mégaélectronvolts. Dans le détecteur, les antineutrinos incidents interagissent avec des protons (noyaux d'hydrogène) au sein d'une kilotonne de scintillateur liquide, selon la réaction : antineutrino électronique + proton —> positron + neutron. La production d'un positron et d'un neutron se traduit par l'émission de photons, captés et amplifiés par des milliers de photomultiplicateurs entourant le scintillateur. L'énergie de l'antineutrino doit être supérieure à 1,8 mégaélectronvolt pour que la réaction ait lieu.

留在反应堆上

未来几代探测器 - 就像法国实验室开发的北弗斯经验一样 - 将能够监测核反应堆的运作,并参与控制核武器的不扩散。在核燃料循环开始时,除了许多其他放射性同位素外,燃料棒还会产生军事质量的钚。在非可疑的核反应堆中,使用燃料棒,直到它们强烈(但不完全)贫乏裂变材料,通常在约18个月内。使用反应器基于钚生产核武器将易于现场,反应器经历异常频繁的停止以改变杆。

四位同位素有助于来自反应器的Antemutrinos的流动。为了 k 土地 这些颗粒具有约4兆电池的平均可检测能量。另一方面,由β衰变由β衰减引起的β-衰变的型号,其自然存在于地壳中的丰富和陆地斗篷中以3.3兆电路溶解。

k 土地 可以研究与核电站电子抗乳芽孢杆菌相同的原则,研究这些“Geonutrinos”(由地球产生的Antineutrinos),但探测器尚未为这种类型的观察设计。事实上,故意植入 k 土地 在几十个反应堆中,为寻找Geonutrinos创造了一个令人讨厌的背景噪音。国际合作报告了2005年首次检测Geodeutrinos,但是反应器的显着背景噪音。最近,由于对探测器的改进和相邻反应器的意外停止,物理学家在Geodeutrinos观察到了一百个Geodeutrinos的事件,并且由于邻近反应器的意外停止而降低了背景噪音。

唯一能够制作Geonutrinos测量的现有探测器,钻孔瘤小于 k 土地 。但是,位于Gran Sasso下的隧道中,意大利亚平宁人的最高峰,周围的反应堆令人不那么尴尬:最近的核反应堆是一千公里。博罗诺队在2010年发布了对Geodeutrinos的第一项措施。地球物理学家和地球化学家现在可以依靠位于单独环境中的两个大型探测器,并面向不同的背景噪音。

地球每平方厘米和每秒发出约六百万个电子抗rinos。这种表面流自由地从我们的行星内部出现,因为像所有材料一样,对这些颗粒几乎是透明的。 Neutrino具有MegaElectronobolt的能量的概率通过铅光引线的厚度而不相互作用非常高。 Geodeutrinos的重要流动使得可以增加探测器记录一个的机会。

Geonutrinos的观察是估算外壳和地壳斗篷中存在的铀和钍量的新方法,因此缩短了对地球的内部热量来源的辩论,其中包括一个世纪和半前赫尔文勋爵。精确测量Geonutrinos的表面流量将表示放射性在地球的总热量生产中的份额,并将测试所应该考虑地球成分的不同模型。这些情景涉及有助于地球的形成的材料和过程,例如在45亿年前在太阳的阳光下形成的未分化原始材料,今天是今天的。在Chondritic Metorites中。

地质学家希望从这些数据或未来的信息的数据或未来的信息中汲取,在外套,富含放射性元件的区域,其中一些在核心和地球历史上的历史上的核心和外套之间形成。 Geodeutrinos还能够开发我们对陆地核心的放射性水平(大概是低)的问题。

由于Geonutrinos,许多其他地球物理问题可以找到响应元素。例如,由于地球的放射性元素 - 由于地球的放射性元素而在多大程度上参与了板的构造或控制液体铁芯中的地面发电机?另一个生动的辩论涉及来自目前的放射性崩解和由于原始热源的份额的表面热流的部分,并且当气体,形成行星的气体,灰尘和岩石砌块时储存的能量,旧放射性等)。目前的放射性是否确保了今天消耗的所有能源?

地球辐射的热流估计在大约46瓦特瓦,其中约8瓦特瓦斯是由于大陆地壳中存在的钾,钍和放射性铀数量的估计,因此大洲的辐射加热。

在地球的深处,辐射热来自钍的40%,铀的40%和20%的钾。这些比例由崩解不同同位素和丰度钍/铀,钾/铀等地,后者的能量决定,后者本身是由Chondritic陨石的研究给出的。(钍/铀丰富报告是4,钾/铀率等于10,000)。

多少放射性热?

在46 - 8 = 38 Terawate的地幔辐射的散热,放射性衰减的份额是多少?该股份直接依赖于地幔中的放射性元素的丰度。这些丰度的确定必须使用地球构成的模型,由地震和大地测量数据强制。 Geonutrinos流动的测量是一种新工具,这使得可以测试与放射性元件的量的不同模型的预测。

为了估算地球的组成,使用三种不同的方法:陪伴,地球化学和地球物理,其在地壳中提供铀的量,涂层在5 3 10 10之间变化。16 et 1,3 3 1017 千克。通过外推,从具有铀的丰富比 - 太阳系的最稀有的天然元素来获得钍和钾与热量产生的贡献。

Cosmochemists寻求将Chondritic Meteorites的化学和同位素组成与地球的作用。他们注意到压花的软骨(一种稀有阶级,其特征在于氧化物的极端贫困)与地球相同的同位素组合物用于许多元素。他们得出结论,它是地球形成的必要砖。这些白肤化物在铀中相当贫困,导致宇宙主义者选择铀中可能丰富的低价。

Cosmochemists比较表面岩石的组成可能从具有Chondrites的外套。首先是铁和硅比秒更差。为了解释这些差异,他们必须假设涂层的深部件具有不同的组成,粗硅,上部地幔的粗体。但许多地质学家都拒绝了在地幔中如此大规模异质性的想法,因为它与海洋俯冲板的地震图像与进入深层外套的地震图像不兼容,不断酿造整个整个涂层受到的对流。

另一种方法提出了基于使用外壳和地壳的实际地球化学样品的建模,以在地壳形成之前估计原始地幔中的元素的浓度。这些地球化学模型预测了大约8 3 1016 千克铀在地壳和外套。它们与外套的弹性模型一致,并且具有较大的软体模型,可最大限度地降低叉子的重要性。但这些地球化学方法的弱点是,从外套中出现的岩石不会像几百公里那样的深度样品,如果它们曾经去过斗篷的深度,则不透露。

至于地球物理模型,它们使用目前的测量表面热流的知识来找到地球的热量进化的解决方案,该方法指定了原始热量的相对贡献和热的热量产生的热量。地球物理学家在热扩散和流变学规律方面模拟了外套中的热量。通常,地球物理模型预测涂层的最高铀丰度。在这种情况下,超过一半的当前热流是辐射起源。这三种方法在地球的热量生产者的结构,丰度和分布方面不同。

自从第一次检测到Geonutrinos k 土地 2005年,发生了相当大的进展。物理学家 k 土地 已经实现了2011年不确定性较低的结果。铀和钍合并贡献的新价值与地球热流的综合贡献仍然是符合这三种大类陆地模型的。它现在排除了97%的置信水平,一种完全放射性的模型,假设行星的所有原始热量长期消耗并将整个热流分配给电流放射性。 2010年博罗涅的测量,凭借其巨大的错误栏,无法排除任何情况。

第三种Geonutrinos探测器将于2013年委托:探测器 sno. +。该仪器是安大略省(加拿大)的Sudbury Nevertino天文台的苏布雷中微子天文台的重型中微子重型探测器的现代化版本。闪烁的液体现在取代重水。对Geonutrinos的检测将为 sno. +附件活动,就是如此 k 土地 和博罗诺。其中一个主要目标是在没有中微子的排放的情况下搜索β双解体,只有在中微子是Majorana的群体中才会出现(也就是说与其抗颗粒相同的粒子,请参阅第44页上的“框架”)。由于其地理位置, sno. +应该具有Geonutrinos的计数率 k 土地 和由于较低的反应器引起的背景噪声。

探测器逐渐改善。它们由最小化背景噪音的纯材料制成。钻孔含有少于半千克的闪烁体,但液体及其容器的高纯度允许其通过弹性扩散反应以及通过反向β崩解来检测中性芽孢醛。如钻孔,探测器一样干净 sno. +,表面下方两公里,将是最深的地理训练探测器,一个资产减少宇宙辐射的μ子的背景噪音。

项目中的伟大经历提出包括先进的检测技术,可用于粒子物理,地质,ASTLOPLELLICLES和国家安全物理学中的应用。慕尼黑的技术大学蒙特一支巨大的闪烁探测器项目,50千吨命名 莉娜 (低能中微子天文学)。美国的经验称为哈哈诺(夏威夷反中微子天文台,随着夏威夷语言传统的翻译翻了一番)正在考虑一个带有10到50千克尼斯的液体闪烁体的移动探测器,它将在海底运行。它可以在海洋中间,远离大陆地壳的放射性,无论是在特定核反应堆的不同距离。第一配置将集中于涂层的放射性而不是地壳的放射性,第二个配置将促进根据与源的距离的中微子振荡的研究。

在南太平洋中间安装这样的移动探测器,距离拉丁美洲,澳大利亚等距离和核心和外套之间的极限将是有趣的。放在那里,高于薄的海洋地壳,这相对缺乏放射性,它将更好地获得斗篷排放而非陆地设施。

测量方向

Une importante amélioration des détecteurs consisterait à pouvoir déterminer la direction des neutrinos enregistrés. Dans la réaction de désintégration bêta inverse utilisée par une partie des détecteurs (antineutrino + proton —> positron + neutron), le positron émis produit un bref éclair lumineux en traversant quelques millimètres de scintillateur avant de s'annihiler avec un électron. L'intensité de l'éclair donne une mesure approximative de l'énergie du neutrino. Environ 0,2 milliseconde plus tard, le neutron, beaucoup plus lourd, qui a parcouru environ un mètre avec une très petite partie de l'énergie cinétique de l'antineutrino incident, crée un rayon gamma de 2,2 mégaélectronvolts en fusionnant avec un proton pour former un deutéron.

通过这种类型的双闪存事件在时间,空间和能量窗口指定的情况下,与其他过程有关的虚假检测风险很小。但是,基于反向β解体的探测器都没有能够通过事件确定Antestrinos事件的入射方向。

识别由闪烁探测器记录的抗内氨基的方向对于地质,天体物理和核监测非常有趣。但 k 土地 博罗诺无法安全。 Chooz,法国和帕洛佛得多,在美国的Antineutrinos探测器,较小,表明他们能够将源头到20度附近的源极为20度,来自反应堆的几千个事件几公里。这对于它们是可能的,因为,对于来自单个源的相当大的样品,在与该来源相反的方向上平均产生的中子的随机轨迹(长度约为一米)点。

我们希望Chooz和Palo Verde示范只是一个开始。合作中夏威夷大学的队伍 k 土地 开发一个小中微子探测器,可以定位抗内氨基的相互作用在几毫米和掺杂的闪烁体可以同样地定位中子的到达点。

中微子方向的确定将强烈增加我们通过识别对我们感兴趣的颗粒来远程监测核反应堆的能力,并消除来自其他地方的颗粒。更靠近发电厂,定向检测器可以使其可以在操作中伪造反应器的核心的图像。地质学家将使用这种探测器建立涂层中微子的断层图,这将表明钍和铀积累的领域。粒子物理学家非常兴趣,这一切都可以加强中微子振荡数据的信噪比。

小探测器正在开发,特别是监测来自核反应堆的抗内氨基排放。其中一个原型是原始的Denees-Cowan探测器的现代版本。含有大约一吨液体闪烁体,它成功地用核电厂的核发生厂配备了吉伐订单的力量。在不访问控制室的信息的情况下,这些设备已经证明了它们观察日常生产周期和燃料循环的演变的能力。

小核Mouchards.

与千吨探测器不同,深深地埋葬并非常保护从宇宙射线,带表面或附近立方米的监控装置将被宇宙射线的μs淹没。但是反应器是如此有光泽的Antineutrinos来源 - 核电站根据其电源辐射约1020 每秒抗肿瘤溶液 - 如果检测器接近反应器,则信噪比将有利。在25米的距离,吨监测设备每天会检测几百个活动。

通过国际原子能机构采用现代,紧凑型和自主的中微子探测器( 原子能机构 )将代表一个重要的一步。更传统的监测设备被迫将“连接”到反应器的基础设施(例如管道)。据信,中微子探测器将在合作核设施旁边很广泛。这种非侵入式监测可以通过帮助运营商调整反应堆以获得最大电力生产来提供经济效益。这种探测器,给出了时滞的信号,也许有助于避免核灾害。

中微子幽灵已成为宇宙学的主要球员,并寻求完整的基本互动理论。它正在获取另一个选择的选择,以便从我们的星球和更好的监控核活动中探讨无法进入的深度。

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