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摘要：中微子穿透性强, 传播速度快, 是信息的绝佳载体。近年来随着中微子技术的快速发展, 中微子的应用前景越来越受到关注。文章介绍中微子物理的研究概况、探测技术的发展动态及其潜在应用, 并从对核设施的探测、深海通信及核武器销毁等方面介绍其军事应用前景。 关键词：中微子; 探测; 通信; 军事应用;921地震
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;陆虎自由人
2017年底, 国际着名期刊《Science》(《科学》) 公布了其评选出的当年全球十大科学突破[1], 排第三位的是美国COHERENT实验组科学家利用一台重量仅仅和微波炉相当的便携式探测器, 首次捕捉到中微子与原子核间相干散射的信号[2]。这项发现从实验上验证了40多年前物理学家提出的预言, 完成了那些大型中微子探测装置多年来未完成的目标。公众对中微子技术及其应用的关切和憧憬又被唤起。本文试图回应这种关切, 对中微子物理的研究概况、中微子探测技术的发展动态及其潜在应用特别是军事应用前景进行分析。 天台赤城中学防雹弹一、中微子物理的研究概况
三星m300
中微子是一种不带电的基本粒子, 有三种类型, 质量很小,
已接近光速运动。从着名物理学家泡利1930年提出存在中微子的假说, 人类对中微子的研究已有将近90年。从1956年人类第一次探测到中微子算起, 也有60多年历史。中微子只参与弱和引力相互作用, 与物质的相互作用极小, 穿透能力极强, 这也使得探测非常困难。因此, 在发现初期中微子物理发展较为缓慢。1998年日本超级神冈实验发现中微子振荡后, 迎来了中微子研究的黄金时代。对中微子物理的投资也进入爆发式发展阶段, 欧、美、加拿大、日本等先后修建了大约五十个中微子探测装置。2014年美国能源部和自然科学基金委将中微子物理列为驱动科学发展的五驾马车之一[3]。目前, 多个新的中微子实验已被批准或正在申请, 这其中包括中国的江门中微子实验、美国DUNE、日本Hyper-K、印度INO、韩国RENO-50、美国在南极的PINGU、法国在地中海的ORCA等。
日本具有世界领先的中微子探测技术和探测装置。近二十年来, 其在中微子探测实验上的研究已经获得两次诺贝尔物理学奖。目前, 日本正加紧研发新一代的中微子探测技术, 对其国内的神冈中微子探测器进行升级改造。预计2025年升级完成后, 高级神冈(Hyper-K) 的探测能力和精度将提高。此外, 日本还计划在其国内新建或与韩
国合建一台先进的中微子探测器, 与高级神冈构成探测器。
我国于2011年建成大亚湾核反应堆中微子探测器并投入运行。2012年以超过五倍标准偏差的置信水平率先给出了第三种振荡模式存在的证据, 并精确测量了第一代和第三代中微子之间的混合角, 成为当年全球重大科学进展。2015年, 我国新一代中微子实验项目江门中微子实验基地开始施工建设, 预计2020年投入运行, 这将会进一步增强我国在该领域前沿研究的竞争力。但是, 我国目前还十分缺乏针对中微子应用的前沿研究。
二、中微子探测技术
地球上的中微子主要来源于太阳、宇宙线、核反应堆和粒子加速器, 数量非常多。一个典型的核反应堆每秒产生六万亿亿个中微子, 每秒有三亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体, 宇宙大残余的中微子更是在整个宇宙空间内多达330个每立方厘米, 每个人每天都会因体内钾-40的衰变而产生4亿个中微子。这些中微子带着母体的信息几乎自由地穿行, 极难被探测[4]。
错误反馈
微观粒子的探测需要借助粒子与宏观物质的相互作用来实现, 带电粒子与物质之间电磁相互作用的行为及性质成为人类探测微观带电粒子的物理基础。由于中微子不带电, 需要让它发生弱相互作用产生带电粒子, 然后通过识别带电粒子来读出中微子信号。最常用的探测方式是利用反贝塔衰变反应在氢核(即质子) 上俘获中微子, 生成一个正电子和一个中子。由于弱相互作用的散射截面极小, 需要建造大规模的探测器才能实现中微子的探测(见图1左图) 。这类探测实验通常需要几万吨探测材料, 比如美国DUNE实验采用1到4万吨液氩, 日本超超级神冈采用50万吨纯水, 印度INO采用5万吨铁, 中国江门实验采用2万吨液态闪烁体。只有这样巨大的探测器才有可能在万亿个经过的中微子中捕捉到少数几个。
2017年8月, 美国COHERENT实验组在《科学》杂志上发表了他们在中微子探测方法和探测器小型化研究上取得的突破性进展, 他们利用掺杂了钠元素的碘化铯晶体制成一个只有14.6公斤重的中微子探测器(见图1右图) , 通过探测中微子与原子核的相干弹性散射实现中微子的精密探测。中微子相干散射过程43年前就被量子力学明确预言。中微子一次跟原子核内所有的核子发生散射, 反应的几率正比于核子数量的平方。COHERENT实验用的碘化铯晶体, 碘和铯都比较重, 分别包含127和133个核子, 这样反应几率就是在单个核
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