Sind Neutrinos „Geister“? Warum 700 Meter unter die Erde gehen, um es zu fangen?

Nach Angaben der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wurde vor Kurzem die weltweit größte einzelne Plexiglaskugel im 700 Meter unter der Erde gelegenen Zentraldetektor des Guangdong Jiangmen Neutrino Experiment (JUNO) vollständig fertiggestellt und befindet sich nun in der Endphase der Bauarbeiten.

Internetnutzer scherzten: „Geister haben endlich einen hochtrabenden Namen: Neutrinos . Wenn 700 Meter unter der Erde Neutrinos gefunden werden, bedeutet das, dass ein Geist in der Unterwelt gefangen wurde.“

Warum sagen die Leute das?

Im Taoismus meines Landes gibt es ein Sprichwort, das besagt, dass ein Mensch, wenn er stirbt, zu einem Geist wird. wenn ein Geist ... Xi stirbt, wird er zu einem Geist; wenn ein Yi stirbt, wird er zu einem Geist; und wenn ein Wei stirbt, wird er unsichtbar. Kein Wunder, dass Internetnutzer Neutrinos scherzhaft als „Geister“ bezeichnen.

Ja, wenn Sie über die Beziehung zwischen Neutrinos und „Geistern“ nachdenken, durchdringen jede Sekunde 300 Billionen Neutrinos von der Sonne Ihren Körper. Neutrinos haben eine extrem starke Durchdringungskraft. Sie können nicht nur ungehindert den menschlichen Körper durchdringen, sondern sogar die Erde und die Sonne. Diese starke Durchdringungsfähigkeit führt dazu, dass Neutrinos „spurlos kommen und gehen“. Neutrinos haben eine sehr geringe Masse und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit, was ihre Erfassung erschwert. Sie interagieren kaum mit anderer Materie und durchdringen die Erde wie Geister. Sie tragen die „Kerngeheimnisse“ von Sternen, schwarzen Löchern und sogar des gesamten Universums in sich, weshalb sie als „Geisterteilchen“ bezeichnet werden.

——Warum ist die Jiangmen Neutrino Experimental Facility so tief gebaut?

Kernreaktoren sind die Orte auf der Erde, an denen die höchsten Konzentrationen von Neutrinos produziert werden. Die Stadt Jiangmen liegt 53 Kilometer von den Kernkraftwerken Yangjiang und Taishan entfernt. Wenn die beiden großen Reaktoren vollständig gebaut sind, wird ihre Gesamtleistung weltweit die höchste sein und es können doppelt so viele Versuchsproben gewonnen werden. Man kann sagen, dass dies derzeit der weltweit am besten geeignete Ort für Neutrinoexperimente ist.

Da es auf der Erde starke kosmische Strahlung gibt, wird diese die Neutrinoerkennung stören. Die 700 Meter hohen Berg- und Felsformationen wirken wie Filter, die die Intensität der kosmischen Strahlung deutlich reduzieren und es uns ermöglichen, reine Neutrinosignale zu erhalten.

Was genau sind Neutrinos?

In der Teilchenphysik sind sich Wissenschaftler einig, dass es 12 grundlegendste Teilchen gibt, aus denen die materielle Welt besteht, darunter 6 Quarks (Up-, Down-, Strange-, Charm-, Bottom- und Top-Quarks), 3 geladene Leptonen (Elektron, Myon und Tau) und 3 Neutrinos (Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino).

Neutrinos sind ungeladen und haben eine sehr geringe Masse, weniger als ein Millionstel eines Elektrons, und bewegen sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit. Bei der interstellaren Ausbreitung wird das Licht jedoch aufgrund der Schwerkraft oder des interstellaren Staubs abgelenkt, Neutrinos hingegen nicht. Neutrinos reagieren kaum mit Materie und nehmen nur an sehr schwachen Wechselwirkungen teil.

Neutrinos haben außerdem eine sehr wichtige Eigenschaft, nämlich ihre extrem starke Durchdringungskraft. Beispielsweise beträgt der Durchmesser unserer Erde etwa 12.700 Kilometer und Neutrinos können die Erde ungehindert durchdringen. Sie werden nicht durch Meerwasser oder Erdschichten blockiert und können weder gestört, abgefangen noch beschädigt werden. Daher ist der Nachweis von Neutrinos sehr schwierig. Von allen Elementarteilchen sind Neutrinos die am wenigsten verstandenen Teilchen, weshalb sie auch als „Geisterteilchen“ bezeichnet werden.

——Wie werden Neutrinos erzeugt?

Die meisten Prozesse der Teilchenphysik und Kernphysik gehen mit der Produktion von Neutrinos einher, beispielsweise bei der Stromerzeugung in Kernreaktoren (Kernspaltung), der Lumineszenz der Sonne (Kernfusion), der natürlichen Radioaktivität (Betazerfall), Supernova-Explosionen, der kosmischen Strahlung usw.

Bei der Explosion einer Supernova werden enorme Energiemengen freigesetzt, und Neutrinos transportieren 99 % der von der Supernova freigesetzten Energie ab.

Unser Universum entstand durch einen Urknall. Einige Wissenschaftler glauben, dass beim Urknall zu Beginn des Universums die materielle Welt und die Antimateriewelt gleichzeitig entstanden sind. Wohin also verschwand die Antimateriewelt, die einst während der Entstehung und Entwicklung des Universums existierte?

——Was ist der Zweck der Neutrinoerfassung?

Unser Universum ist mit einer großen Anzahl von Neutrinos gefüllt, hauptsächlich Überreste des Urknalls (etwa 300 pro Kubikzentimeter). Wissenschaftler gehen im Allgemeinen davon aus, dass Neutrinos, die in der materiellen Welt weit verbreitet sind, wichtige Informationen über die Welt der Antimaterie enthalten.

Tatsächlich sendet auch unsere Erde selbst Neutrinos aus, und die Zusammensetzung dieser Neutrinos hängt mit Strukturen zusammen, die wir derzeit nicht sehen können.

Neutrinos sind die ältesten und primitivsten Elementarteilchen, die seit Beginn des Universums existieren. Sie enthalten viele wichtige, geheimnisvolle Informationen. Die Untersuchung von Neutrinos ist von großer Bedeutung für das Verständnis des Universums und der Materie in unserer bestehenden Welt. Darüber hinaus handelt es sich um die modernste Grundlagenforschung der Welt.

Das Jiangmen-Neutrino-Experiment wurde 2013 genehmigt und der Bau der unterirdischen Versuchskammer begann 2015. Ende 2021 wurde die unterirdische Kammer in Betrieb genommen und mit der Installation des Detektors begonnen. Derzeit wurde die innerste Plexiglaskugel des Detektors des Jiangmen Neutrino Experiment Center geschlossen, und auch das äußere Edelstahlgitter und die Photomultiplier-Röhren werden ordnungsgemäß geschlossen. Es wird erwartet, dass alle Installationsarbeiten bis Ende November abgeschlossen sein werden und mit der Befüllung mit Reinstwasser und Flüssigszintillator begonnen werden kann. Der offizielle Start des Betriebs und die Datenerfassung erfolgen im August 2025. Die voraussichtliche Betriebsdauer beträgt etwa 30 Jahre.

Als wichtiger Baustein für den Bau groß angelegter wissenschaftlicher Projekte meines Landes in der Guangdong-Hongkong-Macao Greater Bay Area hat das Jiangmen-Neutrino-Experiment die Messung der Neutrino-Massenordnung als primäres wissenschaftliches Ziel. Gleichzeitig wird es auch eingehende Forschungen zu atmosphärischen Neutrinos, Sonnenneutrinos, terrestrischen Neutrinos, Supernova-Neutrinos usw. durchführen.

——Wie sieht das Jiangmen-Neutrino-Experimentiergerät aus?

Der Innendurchmesser der Plexiglaskugel im Jiangmen-Neutrino-Experiment beträgt 35,4 Meter, etwa die Höhe eines 12-stöckigen Gebäudes. Es besteht aus 263 12 cm dicken, gebogenen Kugelplatten und miteinander verbundenen oberen und unteren Schornsteinen. Das Nettogewicht des Plexiglases beträgt etwa 600 Tonnen. Es handelt sich um die größte einzelne Plexiglaskugel der Welt.

Die Plexiglaskugel dient als Behälter für flüssigen Szintillator, das Zielmaterial zum Nachweis von Neutrinos. Es wird 20.000 Tonnen Flüssigszintillator transportieren. Gleichzeitig wird die gesamte Kugel zum Betrieb in reines Wasser gelegt. Im Betrieb muss es einem Auftrieb von rund 3.000 Tonnen über lange Zeit standhalten. Die Krafteinleitung in die Hauptstruktur der Edelstahlgitterschale erfolgt über Plexiglasknoten, Pleuel und Edelstahlknoten. Zur Kraftüberwachung sind Sensoren an den Pleuelstangen verbaut. Speziell konstruierte Edelstahlstrukturen werden als Plexiglasknoten in das Plexiglas eingelassen. Nach wiederholter Designoptimierung und Hunderten von Tests wird schließlich eine ultrahohe Tragfähigkeit erreicht. Darüber hinaus verfügen einige Edelstahlknoten über ein Tellerfederdesign, um die Kraftverteilung der Plexiglasknoten effektiv zu verbessern.

Nach seiner Fertigstellung wird das Jiangmen Neutrino Experiment zu einem der internationalen Neutrino-Forschungszentren und zusammen mit dem Kamioka Neutrino Experiment in Japan und dem Deep Underground Neutrino Experiment in den Vereinigten Staaten eine dreigliedrige Kraft in der Neutrinoforschung bilden.

Quelle: CCTV News, CCTV Wissenschaft und Bildung, Institut für Theoretische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften