地下物理实验：在地下深处寻找中微子

被称为主注入器中微子振荡搜寻（Main Injector Neutrino Oscillation Search，简称MINOS）的实验是一个新的物理实验，它将数千吨的钢——一个大的粒子加速器和40英里的坚固岩石组合在一起，以揭示一种有时似乎不存在的粒子的秘密。该实验开始于二十世纪八十年代，后来设计和建造了探测器的部件。通过提供对中微子一些最基本特性的首次精确测量结果，MINOS实验的物理学家们期待对这些粒子在形成宇宙时所起的作用获得新的见解。 

中微子没有电荷。它们在一些像照亮星体聚变过程中发生的那些核反应中大量产生。但中微子很少与其他物质发生相互作用。太阳产生的中微子能够，通常的确穿过整个地球而没有与一个单个的原子发生相互作用。

中微子有三种：电子中微子、谬子中微子和陶中微子。最重的中微子重量可小到电子质量的千万分之一。中微子总是从一种变为另外一种，然后又变回来。每个中微子实际上是三种类型或味的量子—机械混合。随着时间的推移，伴随不同味的量子波走乱步伐，电子中微子似乎变成为谬子中微子或陶中微子，然后变回来。这个振荡提供粒子实际具有明显的非零质量的最佳证据。

但正是使物理学家们对中微子感兴趣的中微子特性使得物理学家们难以对其进行研究。如果它们穿过整个地球而不与任何东西发生相互作用，怎么才能观测到它们呢？

MINOS实验计划制造很多的中微子，让它们对准一个大的探测器，在源和探测器之间有很长的距离，使中微子有机会振荡。

美国费米国家实验室专建的一条束线产生几乎全是谬子中微子的束流，它穿过位于费米实验室的MINOS近程探测器，然后到450英里以外位于明尼苏达州的远程探测器。所走的大部分路程是在威斯康星州地下深10公里处。在路途中一些粒子变为陶中微子，少数被探测器记录下来。数据可能导致发现变化机制，更好地估计每种类型中微子的质量和更多类型的中微子。

MINOS实验设施由来自6个国家的30多个研究所、大学和科研机构组成的合作组建造。费米国家实验室起关键作用。实验设施的建造于2005年初完成，现正启动最初5年运行的实验。阿贡国家实验室高能物理部建立了在加州理工学院、明尼苏达大学和阿贡国家实验室加工塑料闪烁探测器模块的工厂，制造了多数接收和记录来自费米国家实验室近程MINOS探测器信号的前端电子学，并在探测器的安装和调试中发挥了重要作用。 

左图为物理学家Tacy Joffe-Minor展示其中一个最小探测器部件中的闪烁光钎。阿贡实验室高能物理部发明了许多制造插在构成远程和近程探测器的塑料和光钎模块的制造技术。右图为磁变焦透镜–阿贡物理学家Bob Wagner对其中一个磁角进行磁测。磁角像个变焦透镜，能够将费米实验室产生的带电粒子束聚焦。

领导费米实验室MINOS实验组的David Ayres说：“这将是在流强非常高的受控条件下所做的第一个长基线中微子实验，所以我们实际上能够精确测量这些振荡参数。”

主注入器中微子（NuMI）

产生中微子是费米实验室主注入中微子(NuMI)工程的任务。中微子产生的过程多数发生在一条新的一公里长的隧道里（右图），该隧道始于主注入器，一个大的粒子加速器，然后倾斜向北进入地下。

中微子的产生始于质子沿主注入器运行时获得能量。每个粒子的能量达到120 GEV的质子束被从加速器引出，并被瞄准石墨靶。

Ayres说：“即使用费米的标准衡量，这都是个流强非常高的束流。我们正采取非常严厉的措施来监控作为产生中微子过程副产品而产生的放射性物质。” 

直径1毫米的质子束与长约3英尺的石墨长方形堆靶中的碳原子发生相互作用，产生次级粒子簇射。次级粒子束包括介子，由夸克和反夸克组成的粒子家族。束流被两个磁角，喇叭形由200,000安培电流脉冲驱动的金属设备聚焦。靶和角之间的距离可像变焦距镜头改变，以便靶中形成的带电粒子束能够聚焦。在实验过程中，这种设计可易于改变介子束的能量和产生的中微子束。

左图为喇叭形NuMI束流磁聚焦系统，右图为MINOS远程探测器

次级粒子进入2000英尺长的管道，在那里衰变成数万亿个中微子和其他粒子。衰变管道在强子吸收体中结束。强子吸收体是个水冷却阻止剩余质子和介子的铝钢块和混凝土堆，后面是240米未曾挖掘过吸收谬子的岩床。绝大多数中微子愉快地通过这些较小的障碍物。

谬子吸收体的后面是距地面300英尺的一个大的腔体，里面有MINOS近程探测器——一个小型号MINOS远程探测器。其980吨的钢和闪烁体为从NuMI束流出现的未振荡的中微子提供参考。通过近程探测器后，中微子束的直径约为6英尺，并以3.3度角向北-西北方向前进，进入地球。通过坚固岩石的450英里的路程花费0.0025秒。 

MINOS远程探测器

明尼苏达州的苏丹（Soudan）是个小镇，距 Boundary Waters Canoe Wilderness区几英里，是地下半英里处已停止开采的铁矿所在地。设施现在由明尼苏达州作为苏丹地下矿州立公园加以管理，需要在很深地下实验室防止实验受到对地球表面大量宇宙辐射的物理学家们，很容易来此处开展实验。

在苏丹一个小山顶下约2,450英尺处，利用苏丹矿历史性的矿井和提升设备，为MINOS实验开挖了一个探测器大厅，长度相当一个足球场，高50英尺。MINOS远程探测器几乎占了大厅的一大半。

探测器本身有6000吨重的八角形金属板，厚1英寸，宽近30英尺。通过矿井，将每块金属板按27×6英尺的截面放入矿中，然后由工程师和技术员在地下进行组装和测试。每块金属板之间有一层窄条的透明塑料闪烁体。（左图为庞大的中微子探测器）

每天数十亿由NuMI产生的中微子通过MINOS远程探测器。其中，只有10个撞击里面的原子核并被探测到。其余的穿过探测器而没留下踪迹，脱离靠近Boundary Waters的土地，继续前进，进入空间。 

上图为MINOS远程探测器的最新事例

塑料闪烁体中的粒子簇射

在其中一个钢探测器平面中发生相互作用的每个中微子产生一个次级粒子簇射。次级粒子与塑料闪烁体中的原子发生相互作用，产生微弱的闪光。光电倍增管将光转换为电脉冲，电脉冲被送到电子学组件，电子学组件对信号进行解释。来自费米实验室方向的中微子被挑选出来以便做为进行进一步研究：有多少谬子中微子变为陶中微子？它们的轨迹揭示了有关振荡机制的那些东西？来自其他方向的中微子可能来自宇宙线，也是物理学家们感兴趣的。

对中微子物理的理解将有助于对超新星，即当巨大星体用尽燃料并自我崩溃的巨大爆炸做出解释。这些大的爆炸形成宇宙和形成星体和维持生命所需要的元素。从MINOS数据中可能会得到其他一些答案和发现一些新的问题。

Ayres说：“我们处于一个新的领域。向来还没有人用这样的束流或像这样的探测器做过实验。我们对中微子振荡进行精确测量的努力有机会获得一些完全出乎预料，甚至比我们确定研究的更为重要的东西。”

未来的方向

阿贡国家实验室高能物理部在设计新的更大探测器利用NuMI束流中起到关键作用。称为NOvA的探测器是MINOS远程探测器的5倍。该探测器也放在明尼苏达州北部，放在远离束流轴心一侧几英里的地方，那里中微子束流的能量分布更为狭窄。这就能够大力寻找来自费米实验室的谬子中微子振荡产生的电子中微子。在阿贡实验室正在建造其中一个30,000吨PVC塑料和液体闪烁体平面样机。如获得经费，新的探测器将用大约4年时间建成。 

NovA探测器结构略图显示132米长的探测器分为32个平面块。正视平面的局部剖视图显示交替层的水平和垂直挤压模块

阿贡实验室的高能物理部还计划搞一些新的实验，利用核反应堆产生的中微子研究电子中微子振荡，希望找到最后剩下的中微子振荡之迷，以便将来研究中微子中的CP对称破坏。

高能所科研处制作，内容由侯儒成译自ANL网站