作者:张章 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2015/2/10 23:36:47
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印度政府拟建有史以来最昂贵的基础科学设备

 

37年前,Naba Mondal开始了自己的职业生涯——在印度南部的一座金矿中捕捉一种“神出鬼没”的,名为中微子的亚原子粒子。现在,作为孟买塔塔基础研究院(TIFR)的一名物理学家,Mondal希望回到地下,解答中微子物理学的下一个重大问题。

近日,印度中央政府批准了建造印度中微子天文台(INO)的计划,这个耗资2.44亿美元、长达1200米的设备将位于印度南部的一座山脉下方。它的目标——确定3种中微子中哪种是最重的以及哪种是最轻的,可能看似晦涩,但却能帮助物理学上的其他基础问题,例如中微子是如何获得质量的、他们是否是自己的反粒子,以及为何宇宙中的物质远多于反物质。

INO将与其他国家的新设备展开中微子质量层面的角逐。“印度不会输掉这场竞赛。”西班牙坎弗兰克地下实验室研究人员Alessandro Bettini说。但INO是在与环境关注、无根据的辐射恐惧和官僚阻碍进行了数年战争后,才“姗姗来迟”。

即便功亏一篑,作为印度有史以来最昂贵的基础科学设备,INO仍将对该国的科学家产生深远影响。INO计划于2020年开始运转,它将成为印度粒子物理学家回归的契机,在过去25年里,他们中的许多人分散在世界各地。而且,INO团队还计划推动该设备超越中微子学,延伸到其他领域,例如寻找暗物质。该国科学和技术部部长K. VijayRaghavan 表示,INO将“改变印度物理学现状,并将带来全球影响”。

中微子产生自恒星、核反应堆和粒子加速器,以及宇宙射线撞进上层大气中时。它们仅通过弱作用力与其他物质相互作用,因此难以被探测到。而且,由于宇宙射线会在地球表面湮灭中微子信号,因此物理学家不得不在地下研究这种粒子——它们能悄悄穿过数千米的坚硬岩石。

印度曾经处于中微子研究的前沿。1964年,一个TIFR团队在该国南部的科拉尔金矿区的一个矿井中首次发现了在大气层中产生的中微子。1992年,该矿井关闭,印度高能物理学家开始在海外寻找研究“天堂”,例如美国费米国家加速器实验室和欧洲核子研究中心。

但Mondal和其他远赴海外的同事决定回归祖国。他表示,2001年前后,“我们就开始考虑在哪里将能产生影响”。他们选择回到印度,建设科拉尔探测器的超大型版本:一个铁制热量计,它能探测一种名为μ介子的带电粒子。当μ中微子(3种中微子之一)与铁原子核纠缠在一起就产生了这种粒子。

如果能足够精确地计算大气层中产生的μ中微子,INO物理学家将能确定这种中微子的质量等级。在经历了一个名为中微子振荡的过程后,中微子能从一种类型变为另一种类型,而这一过程取决于它们的质量差别。从此类振荡中,物理学家了解到两种中微子的质量接近,而另一种则存在明显不同,但他们不清楚是否是两个重中微子和一个轻中微子,还是正好相反。通过对比μ中微子和μ反中微子的变形,INO物理学家希望能找到答案。

但这可能需要一个非常大的探测器。5万吨重、48米长,INO的热量计将是在建的最大规模的此类设备。夹在140块铁板之间的3万多个薄玻璃电阻板室,将能探测μ介子,并测量它们的特性。由于过于庞大,目前现有矿井无法容纳,因此该设备需要一个量身打造的洞穴。

印度地质调查局建议INO团队勘探泰米尔纳德邦的一处花岗岩山脉。但当地的森林官员反对该提议,因为这座山脉位于一个老虎保护区的边缘。在经历了漫长的僵持后,INO团队于2009年“铩羽而归”,该地质调查局又为他们建议了现在的这个位置,同样位于泰米尔纳德邦。他们再次遇到当地的激烈反对。

村民担心INO将会产生“人造中微子”,其放射性会使人和牲畜患病。Mondal提到,然后有谣言表示,政府将在INO倾倒核废料。他的团队开展了一系列宣传活动,并将目标设定在当地的教授和高校学生身上。“如果能将概念传达给学生,他们就能跟父母交流。”他说。而科学家也能尝到甜头:设施员工将主要在当地雇佣。

Mondal团队最初希望INO能在2012年建成投产。8年的延迟为其他致力于中微子质量研究的设备敞开了大门,例如中国的江门地下中微子观测台和美国—日本的NOνA实验。但无论发生什么,Mondal坚持,印度将会取得胜利:“一个大型科学项目将激励年轻人热爱科学。”

 
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