自物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福于1911年發(fā)現(xiàn)原子核以來(lái)，研究其結(jié)構(gòu)和行為一直是科學(xué)界的重要課題。盡管一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科技已飛速發(fā)展，但宇宙的奧秘依然眾多，科學(xué)家們?nèi)栽诓粩嗵剿鳌Ｈ缃瘢麄円揽棵绹?guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)研究人員開(kāi)發(fā)的尖端鍺探測(cè)器，來(lái)解開(kāi)這些持久的謎團(tuán)。
ORNL的科學(xué)家正在利用鍺探測(cè)器研究難以捉摸的核過(guò)程，以尋找可能重新定義宇宙本身的答案。這些答案包括：為什么宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多?一個(gè)粒子是否可以同時(shí)是物質(zhì)和反物質(zhì)?大爆炸產(chǎn)生的東西和粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所暗示的東西之間是否存在不匹配?
ORNL 的 David Radford 展示了他設(shè)計(jì)的鍺探測(cè)器(其中央觸點(diǎn)在 3 英寸標(biāo)記處可見(jiàn))，這對(duì) LEGEND 研究工作至關(guān)重要。圖片來(lái)源：Carlos Jones/ORNL，美國(guó)能源部
ORNL基礎(chǔ)核物理和粒子物理部門負(fù)責(zé)人David Radford是該領(lǐng)域的國(guó)際知名專家，對(duì)鍺探測(cè)器的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了重要影響。鍺探測(cè)器是基礎(chǔ)物理研究的重要工具，它使用大型單晶鍺(一種金屬元素)來(lái)探測(cè)輻射，并實(shí)現(xiàn)極其精確的能量測(cè)量。
Radford目前領(lǐng)導(dǎo)著美國(guó)能源部資助的大型濃縮鍺無(wú)中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)部分，即LEGEND-1000 DOE項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱LEGEND)。LEGEND是一個(gè)跨國(guó)、跨機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目，旨在利用鍺探測(cè)器揭示更多關(guān)于中微子性質(zhì)的信息。中微子是宇宙中最豐富、質(zhì)量最大的粒子之一，更好地了解它們可能有助于解開(kāi)物理學(xué)最大的謎團(tuán)。
LEGEND全球物理實(shí)驗(yàn)由來(lái)自約50個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)的250多名研究人員合作完成，實(shí)驗(yàn)將依靠一個(gè)重達(dá)一噸的鍺探測(cè)器陣列，該陣列位于地下實(shí)驗(yàn)室中，以消除背景放射性的干擾。該項(xiàng)目還獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和多個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)的資助。
鍺探測(cè)器自20世紀(jì)60年代中期問(wèn)世以來(lái)，已成為核物理學(xué)家的重要研究工具。它最初是由高純度鍺單晶生長(zhǎng)而成的，為核物理學(xué)家提供了一項(xiàng)新的研究技術(shù)：高分辨率伽馬射線光譜學(xué)。通過(guò)分析伽馬射線光譜，可以確定原子核的結(jié)構(gòu)或材料的同位素組成。
ORNL的研究科學(xué)家James “Mitch” Allmond也在利用鍺探測(cè)器研究低能核物理和核天體物理。他希望通過(guò)更好地理解原子核在遠(yuǎn)離“穩(wěn)定谷”時(shí)的行為，來(lái)提出有關(guān)恒星內(nèi)部正在發(fā)生的事情的理論，并更好地了解地球的元素豐度。
Radford表示，如果中微子是所謂的馬約拉納粒子，即自己的反中微子，那么應(yīng)該會(huì)發(fā)生無(wú)中微子的雙重貝塔衰變。這正是LEGEND實(shí)驗(yàn)所尋找的。如果觀察到這種衰變，將意味著輕子數(shù)不守恒，這將極大地改變粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，甚至可能解釋我們?nèi)绾未嬖凇?/p>
幾十年來(lái)，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了更先進(jìn)的鍺探測(cè)器陣列。Radford在20世紀(jì)90年代通過(guò)改進(jìn)點(diǎn)接觸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更大的鍺探測(cè)器，從而成倍增加了觀察目標(biāo)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)。
除了LEGEND項(xiàng)目外，還有其他近十幾個(gè)國(guó)際實(shí)驗(yàn)也在探索難以捉摸的馬約拉納中微子。然而，Radford堅(jiān)持認(rèn)為，鍺仍然是這些大型合作項(xiàng)目的首選。他將對(duì)這種知識(shí)的追求比作藝術(shù)創(chuàng)作，認(rèn)為科學(xué)研究也是人類探索世界、了解自身存在和宇宙運(yùn)轉(zhuǎn)的重要方式。
美國(guó)能源部科學(xué)辦公室支持這項(xiàng)研究，旨在推進(jìn)人類對(duì)宇宙基本科學(xué)知識(shí)的了解。
