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风暴魔域奇异兽蛋获得攻略:中微子物理探測技術現狀與應用展望

時間:2019-05-24 來源:國防科技 作者:鐘鳴 本文字數:6041字

风暴魔域挂机刷魔石,快速培养幻兽升星教程 www.awyiy.icu   摘    要: 中微子穿透性強, 傳播速度快, 是信息的絕佳載體。近年來隨著中微子技術的快速發展, 中微子的應用前景越來越受到關注。文章介紹中微子物理的研究概況、探測技術的發展動態及其潛在應用, 并從對核設施的探測、深海通信及核武器銷毀等方面介紹其軍事應用前景。

  關鍵詞: 中微子; 探測; 通信; 軍事應用;

  Abstract: Because of its good penetrability and fast traveling, neutrino is one of the best information carriers. More and more attention has been paid to its application prospect with the rapid development of the neutrino technology in recent years. The surveys of neutrino physics, the trends of its detection technology and the potential applications are discussed in this paper. Moreover, the prospects of its military application to the detection of nuclear facilities, deep sea communication and nuclear weapon destruction are emphasized.

  Keyword: neutrino; detection; communication; military application;

  2017年底, 國際著名期刊《Science》 (《科學》) 公布了其評選出的當年全球十大科學突破[1], 排第三位的是美國COHERENT實驗組科學家利用一臺重量僅僅和微波爐相當的便攜式探測器, 首次捕捉到中微子與原子核間相干散射的信號[2]。這項發現從實驗上驗證了40多年前物理學家提出的預言, 完成了那些大型中微子探測裝置多年來未完成的目標。公眾對中微子技術及其應用的關切和憧憬又被喚起。本文試圖回應這種關切, 對中微子物理的研究概況、中微子探測技術的發展動態及其潛在應用特別是軍事應用前景進行分析。

  一、中微子物理的研究概況

  中微子是一種不帶電的基本粒子, 有三種類型, 質量很小, 已接近光速運動。從著名物理學家泡利1930年提出存在中微子的假說, 人類對中微子的研究已有將近90年。從1956年人類第一次探測到中微子算起, 也有60多年歷史。中微子只參與弱和引力相互作用, 與物質的相互作用極小, 穿透能力極強, 這也使得探測非常困難。因此, 在發現初期中微子物理發展較為緩慢。1998年日本超級神岡實驗發現中微子振蕩后, 迎來了中微子研究的黃金時代。對中微子物理的投資也進入爆發式發展階段, 歐、美、加拿大、日本等先后修建了大約五十個中微子探測裝置。2014年美國能源部和自然科學基金委將中微子物理列為驅動科學發展的“五駕馬車”之一[3]。目前, 多個新的中微子實驗已被批準或正在申請, 這其中包括中國的江門中微子實驗、美國DUNE、日本Hyper-K、印度INO、韓國RENO-50、美國在南極的PINGU、法國在地中海的ORCA等。

中微子物理探測技術現狀與應用展望

  日本具有世界領先的中微子探測技術和探測裝置。近二十年來, 其在中微子探測實驗上的研究已經獲得兩次諾貝爾物理學獎。目前, 日本正加緊研發新一代的中微子探測技術, 對其國內的神岡中微子探測器進行升級改造。預計2025年升級完成后, 高級神岡 (Hyper-K) 的探測能力和精度將大大提高。此外, 日本還計劃在其國內新建或與韓國合建一臺先進的中微子探測器, 與高級神岡構成探測器群。

  我國于2011年建成大亞灣核反應堆中微子探測器并投入運行。2012年以超過五倍標準偏差的置信水平率先給出了第三種振蕩模式存在的證據, 并精確測量了第一代和第三代中微子之間的混合角, 成為當年全球重大科學進展。2015年, 我國新一代中微子實驗項目江門中微子實驗基地開始施工建設, 預計2020年投入運行, 這將會進一步增強我國在該領域前沿研究的競爭力。但是, 我國目前還十分缺乏針對中微子應用的前沿研究。

  二、中微子探測技術

  地球上的中微子主要來源于太陽、宇宙線、核反應堆和粒子加速器, 數量非常多。一個典型的核反應堆每秒產生六萬億億個中微子, 每秒有三億億個太陽中微子穿過每個人的身體, 宇宙大爆炸殘余的中微子更是在整個宇宙空間內多達 330個每立方厘米, 每個人每天都會因體內鉀-40的衰變而產生4億個中微子。這些中微子帶著母體的信息幾乎自由地穿行, 極難被探測[4]。

  微觀粒子的探測需要借助粒子與宏觀物質的相互作用來實現, 帶電粒子與物質之間電磁相互作用的行為及性質成為人類探測微觀帶電粒子的物理基礎。由于中微子不帶電, 需要讓它發生弱相互作用產生帶電粒子, 然后通過識別帶電粒子來讀出中微子信號。最常用的探測方式是利用反貝塔衰變反應在氫核 (即質子) 上俘獲中微子, 生成一個正電子和一個中子。由于弱相互作用的散射截面極小, 需要建造大規模的探測器才能實現中微子的探測 (見圖1左圖) 。這類探測實驗通常需要幾萬噸探測材料, 比如美國DUNE實驗采用1到4萬噸液氬, 日本超超級神岡采用50萬噸純水, 印度INO采用5萬噸鐵, 中國江門實驗采用2萬噸液態閃爍體。只有這樣巨大的探測器才有可能在萬億個經過的中微子中捕捉到少數幾個。

  2017年8月, 美國COHERENT實驗組在《科學》雜志上發表了他們在中微子探測方法和探測器小型化研究上取得的突破性進展, 他們利用摻雜了鈉元素的碘化銫晶體制成一個只有14.6公斤重的中微子探測器 (見圖1右圖) , 通過探測中微子與原子核的相干彈性散射實現中微子的精密探測。中微子相干散射過程43年前就被量子力學明確預言。中微子一次跟原子核內所有的核子發生散射, 反應的幾率正比于核子數量的平方。COHERENT實驗用的碘化銫晶體, 碘和銫都比較重, 分別包含127和133個核子, 這樣反應幾率就是在單個核子上散射幾率的一萬倍。假如用它來探測核反應堆產生的中微子, 反應幾率可比現在常用的方法提高上百倍, 有望使中微子探測器小型化, 甚至可能會出現便攜式探測器, 大大推動中微子探測技術的應用。但是, 目前COHERENT實驗組的技術還不夠成熟, 只有技術難度最小的碘化銫晶體探測器被研制成功了。由于技術難度高, 用它研究中微子暫時還沒有優勢。隨著技術成熟, 也許會在中微子物理研究或應用上取得越來越好的成效[4]。

  圖1 傳統中微子探測器和便攜式探測器對比
圖1 傳統中微子探測器和便攜式探測器對比

  (注:下圖是我國大亞灣核反應堆中微子實驗的探測器;下圖是美國COHERENT實驗的中微子探測器, 只有14.6公斤重)

  三、中微子的應用前景

  (一) 科學上的應用

  在粒子物理學上, 對中微子信號的測量能夠獲取這些基本粒子的性質, 對超越粒子物理標準模型的新物理的探索給出非常有價值的信息。在宇宙學和天體物理研究上, 由于中微子的強穿透性, 地球上可以探測到來自遙遠星體和宇宙大爆炸初期產生的中微子, 可以將幾萬光年以外星體的信息帶到地球, 也可以將太陽內部的信息傳遞給人類, 通過分析可以得到太陽、超新星等天體乃至整個宇宙的內部結構和演化的物理規律。在地球科學上, 由于中微子與物質相互作用的截面會隨著中微子能量的提高而增大, 利用高能加速器產生能量較高的中微子束定向照射地層, 與地層物質的相互作用會產生局部震動, 能夠實現對深層地層的掃描和勘探。此外, 地球內部的放射性元素衰變會產生中微子, 通過探測來自地球的中微子信號可以獲取地球內部放射性元素的分布和數量, 進而獲知地球內部結構的精確數據和演化規律。

  (二) 軍事上的應用

  中微子的產生和探測技術可能會有重要的軍事應用。1988年, 美國著名的賈森 (JASON) 國防顧問團就曾經對中微子產生和探測的軍事應用價值進行了全面研究和評估, 并給美國軍方提供了詳細的研究報告。中微子與物質的相互作用極小, 對介質的穿透性很強, 不易衰減, 傳播速度快, 是信息的絕佳載體;但另一方面, 它的產生和探測也會變得困難, 這一度延緩且限制了對它的應用。近年來, 隨著中微子產生和探測技術的快速發展以及對中微子物理性質理解的深入, 人們開始關注中微子的軍事應用研究[5]。主要研究方向為:

  1.中微子雷達。核反應會產生中微子, 中微子可以輕易穿透各種障礙物。通過中微子信號的探測可以發展中微子雷達, 實現對深海核潛艇和地下掩體核設施的探測和定位, 以彌補電磁波雷達以及聲納在這些場景中的缺陷。目前, 有科學家研究通過探測中微子信號的強度來甄別核燃料濃縮的級別。如果是武器級核燃料, 發出中微子的信號就可能更加強烈。因此, 該方法對發現大規模殺傷性武器非常有幫助。

  2.中微子通信。從1970年起, 美國就有物理學家研究以中微子作為載體的通信技術, 認為中微子可以勝任全球點對點無線直聯、恒星際或星系團之間以及地面和深海之間電磁波難以完成的通信任務[6,7,8,9,10]。軍事上對地面和深海之間的有效通信存在現實的需求:破除核潛艇的通信制約, 提高核潛艇通信效率。高頻電磁波的數據傳輸能力較高, 但對海水的穿透能力很弱;低頻電磁波雖然能穿透海水, 但其數據傳輸能力很低。頻率在幾千赫茲之間的電磁波, 信息傳輸速度可達到70bit/s, 但僅能穿透海面幾米深;頻率在100Hz以下的電磁波, 可以穿透海面100米深, 但信息傳輸速度僅為1字節/分鐘, 并且信號中常常伴隨著高噪音[11]。這極大地限制了潛艇與地面指揮部的通信自由。核潛艇原本可以數月潛航于深海中, 但為了與地面之間的通信, 需要連接一根有線天線到接近海面處。這制約了核潛艇的航行深度和速度, 增加了被發現的風險。中微子能夠輕易穿透海水, 以中微子作信息傳播的載體可以高效地實現地面和潛艇之間的通信自由, 能極大提升潛艇的戰斗力。

  2009年, 美國弗吉尼亞理工學院的Huber在總結前人經驗的基礎上, 設計了一套地面和深海潛艇通過中微子通信的簡單方案[12]。他認為, 可以基于核潛艇的圓筒形外觀, 將船體建成中微子探測器。這樣, 探測器就有超過1000平方米的有效探測面積, 具有足夠強的探測能力。當中微子信號從潛艇的一側進入、從另一側穿出時, 通過探測中微子與進入點和穿出點附近的海水反應產生的電信號, 可以精確地重建中微子束的方向, 進而獲取信息。對于中微子信號發射器, Huber建議將它建造在水中, 利用水體的浮力使其操作更容易, 方便其在發射信號時調整方向。為了檢驗這一構想, 他建立了一個數據模型, 分析地面指揮部和潛水深度為300米的潛艇通過中微子實現單向通信的情況。經過嚴密的計算和推導, 根據核潛艇應用實際, 區分白天和夜晚, 對比不同信息傳輸速度, 他得出利用美國費米實驗室的中微子產生裝置作為中微子源發射的信號在全球各海域的接收結果 (見表1) 。

  表1 核潛艇模型在不同的信息傳輸速率、不同的 時間段, 能夠接收到信號的區域占世界總海域的比例[12]
表1 核潛艇模型在不同的信息傳輸速率、不同的 時間段, 能夠接收到信號的區域占世界總海域的比例[12]

  2012年初, 美國費米實驗室利用NμMI中微子產生器產生的世界上最高強度的中微子束流和170噸重的MINERνA中微子探測器在世界上首次以0.1字節每秒的信息編碼速度、百分之一的出錯率實現了1035米的中微子通信[13]。圖2給出了費米實驗室中微子通信實驗發射出的信號和接收到的信號的比較, 這兩組信號序列基本吻合。這個實驗在應用上具有重要意義, 它不僅證實了中微子通信的可行性, 也讓人們看到了這一新的通信手段區別于電磁波等傳統通信手段的優勢——信號有240米是在地下巖石層傳播的, 還為后續相關實驗在中微子束流和探測器性能上的改進指明了方向。

  圖2 費米實驗室中微子通信實驗的發射信號 (上) 和接收到的信號 (下) 比較, 發射一幀156字節的信號, 其中92字節的編碼信息, 64字節的同步序列[13]
圖2 費米實驗室中微子通信實驗的發射信號 (上) 和接收到的信號 (下) 比較, 發射一幀156字節的信號, 其中92字節的編碼信息, 64字節的同步序列[13]

  3.中微子武器。中微子武器主要用于銷毀敵人的核武庫。利用高能加速器產生高能中微子束定向照射核材料, 可以將核材料點燃和銷毀。2003年, 日本的高能物理學家提出通過制備能量高達一千萬億電子伏的中微子束流, 并將它射向地球上任何一個地方的核武庫, 就可摧毀或引爆核彈頭, 從而達到阻礙各國發展核武器, 實現核裁軍的目的[14]。這種假想的中微子武器采用的基本原理是中微子的弱相互作用性質:一方面, 中微子可以輕易穿越地球屏障, 并穿透核武庫的所有?;げ?另一方面, 超高能量的中微子束流在傳播過程中與周圍的物質發生相對較強的相互作用, 沿途產生大量強子。這些高能強子打到核彈頭內的钚或鈾元素后會觸發核裂變反應, 起到點燃核彈頭的作用, 從而使之熔化、蒸發或爆炸。2013年, 美國物理學家提出利用加速器制備出能量約為45千兆電子伏或高于此數值的正反中微子束流, 然后使之聚焦到某處核武庫, 讓束流對撞得以發生在Z粒子共振峰上, 使得反應截面會很大。最后, Z粒子的衰變產物會點燃或引爆核彈頭[15]。這兩種方案的中微子武器都需要極高能量的中微子束, 以目前的實驗技術是難以實現的。此外, 安全性也難以保證。在高能中微子束流的攻擊下, 核彈頭是否會可控地分解?否則, 一旦引發任何形式的核爆炸, 其后果都與核打擊沒有區別[16]。

  四、結論和展望

  電磁、引力、強和弱是自然界的四種基本相互作用, 自然界中所有現象都因這四種基本相互作用產生。這四種相互作用性質各異, 表現形式各不相同, 被人類認識和利用的難易程度也不一樣。電磁相互作用規律是其中最簡單、研究得最清楚、也最容易被人類利用來改造世界的自然規律。目前的人類文明主要建立在對它的利用上, 是典型的“電磁文明”。其它三種相互作用結構比電磁相互作用復雜, 應該具有更加豐富的現象。雖然力的大小和作用范圍等原因限制了對它們的利用, 但人類利用高度發達的“電磁文明”作為鑰匙開啟其它相互作用文明大門的努力一直沒有停止過。中微子只參與弱和引力相互作用, 對介質的穿透性很強, 不易衰減, 傳播速度快, 是信息的絕佳載體, 可以勝任全球點對點無線直聯、恒星際或星系團之間以及地面和深海之間電磁波難以完成的通信和探測任務。對中微子的應用有望發展出新的域, 與電磁域形成互補。

  美國COHERENT實驗開啟了中微子探測器便攜時代的到來, 這會大大推進中微子雷達和中微子通信的應用研究。電磁波探測和通信的一些短板和盲區, 有望因中微子技術的快速發展而得到填補。

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  [15] Alfred Tang. Neutrino Counter Nuclear Weapon. arXiv:0805.3991.
  [16] 邢志忠. 聳人聽聞的中微子武器[J]. 科學世界, 2014 (4) .

    論文來源參考:鐘鳴.中微子探測技術的發展及其軍事應用前景[J].國防科技,2019,40(01):5-9.
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