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Cao Jun | Institute of High Energy Physics | P.R. China

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T2K近点探测器观测到中微子

原文来源:http://www.kek.jp/intra-e/press/2009/J-PARCT2K2.html

名词解释(译者注):
KEK:日本高能物理研究所
J-PARC:日本质子加速器研究设施,位于日本东海,包括物质与生命应用(即散裂中子源)、中微子应用、核与粒子物理应用等三大设施。
K2K:KEK To Kamioka,从KEK到神岗的长基线加速器中微子实验,是世界上第一个加速器中微子实验,第一次用人工中微子源验证了大气中微子振荡。
T2K:Tokai to Kamioka,从东海J-Parc到神岗的长基线加速器中微子实验。

T2K近点探测器观测到中微子

2009年11月24日
KEK / T2K / J-PARC Center

日本领导的T2K中微子国际合作组的物理学家今天宣布,上周末他们观测到了来自新建的中微子束流线的第一个事例。该束流线位于日本东海市的J-PARC加速器实验室。来自30 GeV同步加速器主环的质子被送到一个碳靶上,碰撞产生带电粒子p介子。这些p介子穿过一个充满氦的容器,并在其中衰变,产生难以捉摸的粒子束流——中微子。中微子然后飞行200米,穿过地层,来到一个精巧的、能够详细测量其能量、方向和种类的探测器系统。这个复杂探测器系统的数据还需要进一步分析,但是物理学家已经看到了至少三个中微子事例,数目与根据束流和探测器性能推算出的期望值相符。KEK实验室粒子与核物理研究所所长、T2K的缔造者西川公一郎(Koichiro Nishikawa)教授说,“T2K实验即将揭示中微子的另一个秘密。我感谢所有直接或间接支持过这个实验的人,感谢来自世界各地的杰出的合作者们,他们使这个实验走到了今天。T2K的所有人也欠了加速器物理学家一个情,他们非常努力地工作,建造并调试了加速器。特别地,我要感谢日本政府和所有其它给了我们大力支持的外国政府,我准备请求后续的支持。我们准备尽全部的努力,来充分地揭示中微子的秘密”。

这个观测标志着T2K实验运行阶段的开始。这是一个由500名科学家、12个国家组成的合作组,目标是测量神秘的中微子的新性质。KEK实验室主任铃木厚人(Atsuto Suzuki)教授说,“T2K实验进行的中微子研究将揭开中微子的未知性质。全世界的研究人员肯定会感到忌妒,因为看来好像中微子新性质的发现又一次要在日本做出了!中微子探测是走向这个目标的第一步,对实验结果我已经等不及了”。中微子只与物质微弱地相互作用,因此可以毫不费力地穿过地球(或者探测器)。中微子有三种类型,分别是电子型、缪子型、和陶子型,通过相互作用与它们更著名的带电表兄弟,例如电子,联系在一起。在过去几十年的测量中,特别是在日本西部的超级神岗和KamLAND中微子实验,已经显示出中微子具有振荡的奇怪性质,即一种中微子在传播过程中会变成另一种中微子。中微子振荡要求中微子有质量,在我们以前的粒子物理理论中是不允许的,因此它将刺探新的物理规律,在物质基本结构的研究中具有极大的意义。它们也许还跟宇宙中为什么物质多于反物质的谜有关,因而成为世界范围内的研究热点。T2K实验发言人小林隆(Takashi Kobayashi)博士说:“中微子振荡研究是我们真正理解最基本的物理定律的最好的工具。这个周末的进展使我们朝完全理解它们迈进了一步”。

精确测量中微子振荡可以采用人工的中微子束流。K2K实验是加速器中微子实验的先驱,从KEK实验室产生的中微子,在靠近富山市的超级神岗探测器被探测到。T2K是K2K实验更加强大和精巧的版本。流强更高的中微子束流从J-PARC加速器实验室新建的同步加速器主环被引出。这个束流线是KEK的物理学家与其它日本研究机构合作,并在美国、加拿大、英国和法国的T2K合作者的帮助下建成的。美国T2K项目的负责人,石溪分校的Chang Kee Jung教授说,“我有点被这看上去毫不费劲的成功打蒙了,特别是考虑到加速器、操作、以及国际合作的复杂性。这是日本政府对基础研究有力支持的结果,我希望这种支持能持续下去。这也是所有参与人的努力与创造性的结果。我对不远的将来这个实验的更多奠基性的发现前景感到兴奋”。束流又一次对准了超级神岗。它刚刚升级了新的电子学和软件。超级神岗实验的发言人,东京大学宇宙线研究所的铃木洋一郎(Yoichiro Suzuki)教授说,“这是T2K的伟大的一步,我们会很快在距J-PARC 295公里外的超级神岗看到中微子相互作用。我们刚刚为这个实验更换了所有的前端电子学和在线系统”。在中微子离开J-PARC前,它们的性质由一个设计精巧的近点探测器确定。探测器有一部分是基于CERN捐赠的一个巨大的磁铁。它以前曾被用于中微子实验(以及因为发现W和Z玻色子而获得诺贝尔奖的UA1实验。W和Z玻色子是中微子相互作用的基础)。正是这个探测器探测到了第一个事例。T2K的国际共同发言人,伦敦帝国理工大学和卢瑟福实验室的Dave Wark教授说:“看到探测器中的第一个事例是非常令人满足的。这是许多人努力的结果。我想我们要喝一两瓶清酒来庆贺,然后给CERN送一瓶,我听说他们也需要几瓶”。(译者按:可能是指近期再次启动的大型强子对撞机LHC)。苏黎世理工的Andre Rubbia 教授领导了修复和从CERN运送这个大磁铁的工作。他说:“看到第一个来自束流的中微子,我们感到极为兴奋!我们从很远的地方到这个独一无二的实验设施来工作。T2K是一个世界范围内多国合作,来发现大自然新的基本属性的联合努力的好例子”。

第一个中微子事例在一个叫INGRID的特殊探测器中被发现,它的目的是探测中微子束流的方向和分布。东京大学的中家刚(Tsuyoshi Nakaya )教授领导建立了这个近探测器。他说:“我们在中微子束流运行时实时地发现了第一个中微子。探测到这个事例建立在来自世界各地的许多T2K同事的努力上。我要特别地感谢许多年轻的研究人员,他们非常努力地工作了很长的时间,特别是京都的博士生们,他们在高级研究人员的压力下在线地分析数据,发现了这个事例。来自巴黎CEA/Saclay实验室的Marco Zito博士领导法国在这个实验上的工作,帮助建造了INGRID。他补充说:“这是中微子物理的伟大的一天!这是第一个新一代的国际中微子振荡实验设施开始工作。我们期盼着第一个T2K运行阶段和物理结果的丰收。特别是近点探测器采用了创新的技术,可以为中微子作用提供详细的信息。这个探测器结构将使我们能进行精确测量,也许还有令人兴奋的发现”。对T2K中微子束流的进一步测试将在12月进行,整个实验计划在1月中旬开始正式取数。另一个重要的里程碑将很快被发现——在超级神岗实验中观测到一个来自T2K束流的中微子事例。运行取数将持续到夏天,到那时,对现在还未观测到的全部三代中微子之间的振荡主导的关键振荡模式,实验有希望取得迄今为止最灵敏的搜索。接下来这种搜索会进一步改进,在观察到3模振荡的情况下,比较中微子与反中微子的振荡,刺探中微子部分的反物质物理。领导加拿大参与这个实验的Jean-Michel Poutissou教授说,“我很高兴由50名科学家组成的加拿大小组与400多名日本和其它国家的伙伴一起,经过6年的努力,取得了这次美妙的早期成功,在J-PARC刚刚安装好的中微子设施看到了第一个中微子。我感受到了我们这些有机会参与这项国际前沿研究的年轻学生和博士后的兴奋,非常感谢他们。这也许是他们在一个全球环境中作为我们社会的未来领导所能得到的最好的训练”。

背景资料:T2K合作组由来自12个国家(日本、韩国、加拿大、美国、英国、法国、西班牙、意大利、瑞士、德国、波兰、俄罗斯)62个研究机构的508名物理学家组成。实验由一个最近在日本东海市J-PARC实验室建造的30GeV同步加速器的新的中微子束流线、一个离中微子产生靶280米的近点探测器,以及日本西部的超级神岗探测器组成。

(曹俊译)

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