追踪难以捉摸的幽灵粒子
头校准器
William & 玛丽的物理学家帕特里夏·瓦勒（Patricia Vahle）将带领一个团队校准一种仪器，该仪器旨在探测穿过地球500英里的中微子流。约瑟夫·麦克莱恩摄
“想象一下，如果你发射一束中微子穿过一块一光年厚的铅砖，”帕特里夏·瓦勒说。“其中一半以上会从另一边出来。”
瓦勒是威廉玛丽大学物理系的助理教授。她是参与NOvA实验的一组研究人员之一，该实验将使人们对中微子和宇宙本身有更深入的了解。
中微子对物理学家来说很重要，因为它们的性质是理解许多问题的关键，比如更全面地理解核聚变和裂变力学，以及为什么反物质在宇宙中如此罕见的谜团。
“如果你想了解宇宙是如何开始的，它是如何进化的，以及它今天是如何运作的，你需要尽可能多地了解中微子，”她说。
中微子很难研究，但这并不是因为它们稀少：在你读这句话的时间里，有大量的中微子穿过了你的身体。
“中微子是宇宙中最常见、最丰富的粒子之一，”瓦勒解释说。“它们很难研究，因为它们不怎么互动。为了研究中微子，你必须让它与物质相互作用，这样你就能看到结果。”
NOvA实验旨在使中微子与物质的相互作用发生。NOvA是NuMI离轴电子中微子外观设备的缩写，这是美国能源部位于芝加哥郊外的费米国家加速器佳博体育的一项实验。该计划将把中微子流从费米佳博体育发送到位于明尼苏达州的NOvA探测器，穿越地球500英里。一个奠基仪式定于5月1日在明尼苏达州北部的探测器地点，明尼苏达大学物理与天文学院的一个佳博体育举行。
费米佳博体育产生的中微子将在不到3毫秒的时间内完成500英里的旅程。在前往明尼苏达州的途中，中微子将在费米佳博体育的探测器上进行计数。瓦勒解释说，中微子有三种“口味”：电子、介子和tau。NOvA的前身MINOS实验使用了类似的场景来验证中微子是振荡的，或者说改变了味道。她说，对中微子振荡的更好理解将产生对中微子质量的更好理解。
瓦勒说：“我们制造了一束介子型中微子，我们在MINOS中发现，其中一些中微子就这样消失了。”“我们不知道他们会进入什么状态。它们要么变成tau型中微子，要么变成电子型中微子。”
NOvA的设计目的是确定中微子是如何振荡的。“我们认为振荡的模式是这些μ子中微子变成了τ中微子，”她说。“但是这些介子型中微子有空间变成电子型中微子。”
Vahle在项目中的职责是领导一个负责校准探测器的小组，她说，这些探测器将比MINOS使用的探测器更大、更敏感。她说，基本上，探测器将是一排PVC管，里面装满了一种主要是矿物油的液体。探测器的校准是必不可少的。
“这听起来不是很诱人，但这是你必须做的一个基本步骤，以便了解当中微子在探测器中相互作用时你所看到的东西，”她说。“发生的事情是这样的：中微子进来，它靠近探测器中的一个原子核，并与那个原子核相互作用。它会在这种相互作用中产生大量的子粒子。”
她解释说，新星科学家将测量每个子粒子的能量，并将它们加起来，以确定中微子开始时的能量。
“为了计算出每一个子粒子的能量，你需要一些参考来比较它，某种‘标准蜡烛’，”她说。“这不是你可以从基本原理中得出的结论。这是你需要用探测器测量的东西。所以，我领导的小组要弄清楚‘标准蜡烛’是什么，以及我们需要经历什么样的过程才能首先弄清楚中微子的能量是多少。”
瓦勒是参与NOvA项目的来自7个国家28个机构的180多名科学家和工程师之一。在建造探测器的过程中，瓦勒将在她位于小大厅的办公室里与物理学博士生阿莱娜·加夫里连科（Alena Gavrilenko）合作，探索校准计算。
美国能源部科学办公室已经根据《恢复法案》为该建设项目提供了4010万美元的资金。它将根据《恢复法案》为费米佳博体育提供额外的990万美元资金，后者将管理该项目。
