中微子，以及我们为什么在威廉和玛丽研究它们
物理学家对中微子感兴趣的原因与考古学家对陶器碎片感兴趣的原因相同。就像考古学家研究破碎的粘土碎片来构建一个关于产生它们的社会的故事一样，物理学家研究中微子是为了更多地了解这些亚原子粒子起源的事件和过程。
宇宙大爆炸产生的中微子至今仍在太空中飞驰。原子能发电厂产生中微子。太阳的聚变炉会释放出中微子。当一颗恒星变成超新星时，这个过程会产生大量的中微子。
中微子不仅仅是反应的碎屑；它们本身就是有趣的小东西。它们几乎从不与物质相互作用，这一特性使中微子成为研究的一个挑战。它们有三种“口味”——电子、介子和tau。它们在飞行途中振荡——改变味道。费米佳博体育通过让我们想象一辆跑车，在高速公路上变成一辆公共汽车或小型货车，然后又变回一辆跑车来解释振荡。更复杂的是：中微子有质量，但质量和味道并不一定对应。粒子物理学家用“混合”来描述中微子质量和味道的奇怪变化；混合现象是许多中微子实验关注的焦点。
物理学家们早就明白，要想更多地了解能量或物质的任何方面，迟早都会穿过这些神秘而无处不在的亚原子粒子的云层。通过研究中微子，科学家们对恒星（包括我们自己的太阳）有了很多了解，对宇宙还有很多需要了解的。想了解星系群集吗？对宇宙为何由物质主导感兴趣吗？没关系；了解中微子是如何运作的，对于在新物理学中采取任何下一步行动都是至关重要的。
因为这些亚原子粒子在很多层面上都很重要，所以有很多中微子实验正在进行，威廉和玛丽物理学家参与了其中的一些实验。例如，William & 玛丽物理学家罗伯特·麦基恩（Robert McKeown）和王伟（Wei Wang）在2011年与中国大亚湾中微子实验的科学家合作，帮助确定了一个关键的测量值，即“混合角”θ13，发音为“θ1 - 3”。
在美国，位于芝加哥郊外的能源部费米国家加速器佳博体育（Fermi National Accelerator Laboratory）是许多中微子实验的所在地，因此对威廉玛丽公司的一些物理学家来说，这里也是他们的家外之家。目前在费米佳博体育进行的三个中微子实验——MINOS/MINOS+、MINERvA和nova——研究了由共同源NuMI光束发射的中微子的不同性质。
物理学副教授帕特里夏·瓦勒（Patricia Vahle）作为强度前沿研究员在费米佳博体育待了一年，她的博士后研究员亚历克斯·拉多维奇（Alex Radovic）是费米佳博体育的常驻研究员。Vahle是研究NOvA的William & 玛丽物理学家小组的一员，在二月份，科学家们在完成实验设备之前就看到了中微子，这使得NOvA成为了新闻。
瓦勒说：“我们当然希望看到中微子，而且我们在我们期望看到它们的地方看到了它们。”“我个人有点惊讶，我们能够在探测器的一小部分找到它们。”
像大多数中微子实验一样，NOvA有三个组成部分。一个粒子加速器发射一束中微子（称为NuMI光束），目标是两个探测器，一个近一个远。NOvA被物理学家称为长基线实验，因为中微子束必须行进约500英里到达位于明尼苏达州阿什河的遥远探测器。第三个组成部分是近距离探测器，位于费米佳博体育。
“我们总是在附近有一个探测器，所以我们可以在任何振荡发生之前弄清楚中微子束的性质以及探测器是如何工作的，”valle解释说。“然后我们观察远端探测器，以发现振荡特性。”
两个探测器都是由PVC通道层构成，充满矿物油，为观察中微子相互作用创造了有利的环境。当一个中微子与掺有荧光分子的矿物油原子碰撞时，会产生带电粒子来探测中微子，从而产生闪烁体。碰撞产生的光被每个通道中的光纤收集并记录下来。
两种探测器的不同之处在于大小。完成的远端探测器尺寸约为15 x 15 x 78米。另一位新星合作者，物理学副教授杰弗里·纳尔逊说，遥远的探测器将是世界上最大的塑料结构。瓦勒说，2月份制造新闻的中微子出现在遥远的探测器中，当时它只建造了大约15%。
自2008年以来，Vahle一直致力于NOvA的各个方面，包括校准和原型设计，最近还致力于委托远端探测器。瓦勒的博士生刘吉（Ji Liu）整个秋季学期都在研究与近地探测器组装相关的几个重要任务。
“对于近距离探测器，我们有一个由许多细胞组成的模块，最终将充满闪烁体，”她解释说。“我们需要确保它不会泄漏，所以我们将空气放入PVC细胞并测试压力。”
实际上，刘是在仔细检查这些模块，因为它们在运往费米佳博体育之前已经进行了压力测试。即便如此，她还是发现200多个模块中有3个不好。装配完毕后，她再次检查了模块的压力。她的另一项工作是给所有组件贴上标签。
“这听起来不像是一项非常重要的工作，但它对我非常有用，因为它要求我充分了解探测器的整个构造，”她说。
当刘回到威廉斯堡时，纳尔逊的博士生马可Coló接替了她在费米佳博体育的位置，研究近距离探测器。
纳尔逊参与NOvA项目可以追溯到十年前，当时他在斯坦福参加了一系列会议，讨论中微子研究的新方向。NOvA只是讨论中产生的众多实验之一。
他说：“这些都是我们所说的‘超级光束’实验：设想一束光束，然后让它变得更好。”“投入更多的精力，获得更多的中微子，获得更好的统计数据，以观察更多罕见的效应。”
他说，NOvA将使用与费米佳博体育正在进行的MINOS/MINOS+和MINERvA实验相同的光束。威廉和玛丽物理学家参与了这三个实验，纳尔逊、瓦勒和物理学副教授迈克尔·科尔多斯基因参与中微子研究而获得了可观的外部资助，其中包括来自美国国家科学基金会的250多万美元。
Nelson是MINOS和MINERvA以及NOvA的合作者。valle参与了MINOS和NOvA。科尔多斯基并没有参与NOvA实验，但他是另外两个实验的合作者。他是MINOS的长期合作者，他的博士论文是关于实验探测器的相互作用。在加入威廉与玛丽学院后，他扩展了他的论文，他的工作为MINOS的合作者指出了调整中微子振荡分析的方法。
每个实验都是为特定的目的而设计的。例如，尼尔森解释说，MINOS探测器是钢，设计用于检测介子粒子，这是介子中微子相互作用的结果，在钢中传播数米的距离。
相比之下，NOvA是一个更“细粒度”的实验。他解释说，NOvA的探测器具有聚氯乙烯结构，其中75%是闪烁体，因此物理学家可以看到电子留下的细节，电子的传播距离比介子短得多。
瓦勒和尼尔森都对新星的良好开端持乐观态度。尼尔森说，在未完成的远端探测器的第一个模块中出现中微子就像在你把所有的线都甩出去之前抓鱼一样。
费米佳博体育预计远端探测器将在春季完成组装，并在夏季全面投入使用。NOvA预计将运行6年，记录大约5000个中微子的相互作用，尼尔森说，其中大部分将是“无聊的老μ子”，但每个人都希望电子中微子的健康存在，电子中微子在μ子中微子的飞行中途振荡。
未来会有更多的中微子实验和更多的威廉和玛丽物理学家的合作。McKeown和Wang参与了长基线中微子实验（LBNE）的开发。科尔多斯基计划加入LBNE项目，该项目计划于2022年开始，南达科他州的一个探测器将捕捉800多英里外费米佳博体育发射的中微子。
尼尔森和瓦勒正在研究CHIPs，这是一项拟议中的实验，目的是在明尼苏达州一个被水淹没的矿井中建造一个成本效益高的中微子探测器，该矿井正好位于NuMI光束的路径上。科尔多斯基也是LAriaT项目的合作者，这是一个使用液态氩探测器的项目，瓦勒和科尔多斯基也参与其中。
就像Small Hall把物理学家送到中微子研究的世界一样，中微子世界也来到了William & 玛丽: the 大学的物理学家主办了NuFact 2012，这是一个致力于中微子研究的年度研讨会，150名世界领先的粒子物理学家来到威廉斯堡。