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论述百练:中微子

材料一

中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子。中微子在宇宙中的数量极多,约占所有物质粒子的一半,在微观粒子物理和宏观宇宙起源及演化中扮演着极为重要的角色。中微子仅参与弱相互作用,可以说是来无影去无踪,只有通过超大体积和超级灵敏的粒子探测器,才可能被捕捉到,堪称“幽灵粒子”。中微子是人类迄今了解最少的一种基本粒子,还有诸多未解的谜题亟待研究。对这些未知问题的研究,将完善我们对物质世界基本规律的认识,引领我们突破现有的理论体系,踏入新物理世界的大门。

进入21世纪,中微子研究蓬勃发展,不仅成为粒子物理的重要分支,还扩展到天文学、地球物理等多个学科,形成了新兴的“中微子科学”。同时,中微子实验研究也取得了许多重大成果,包括发现三种中微子、发现中微子振荡等。

中微子振荡是指中微子会在电子中微子、缪中微子和陶中微子这三种形态之间转换,具体表现为中微子能够在飞行中从一种形态转变成另外一种。中微子振荡原则上应该有三种模式,其中两种在上世纪60年代、80年代相继被发现或证实,而第三种振荡模式一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在,这引发了全球科学家的进一步探索。

2003年,我国科学家提出设想,利用广东大亚湾核电站产生的大量中微子来寻找第三种振荡模式。2007年10月大亚湾中微子实验项目动工建设,4年后实验站点全部投入运行。2012年3月,实验取得了重大突破——成功发现了中微子的第三种振荡模式,并测得其振荡几率为9.2%,误差为1.7%,无振荡的可能性仅为千万分之一。这一实验结果远远超出了科研团队的期待值,为后续研究中微子质量奠定了基础,对研究物质本原、宇宙起源和理解宇宙中反物质消失之谜具有重要意义,在国际高能物理界引起强烈反响。该实验成果入选美国《科学杂志》“2012年度十大科学突破”,还获得了2016年国家自然科学一等奖。

2020年12月,设定的实验目标已经实现,运行了9年的大亚湾中微子实验装置正式退役。退役时,该实验已将中微子振荡振幅的测量精度从20%提高到3.4%。大亚湾实验装置的退役并不意味着我国中微子研究的停止,一个更为先进、规模更大的江门中微子实验项目正在建设中。

(取材于曹俊、董有逸、项天歌等的相关文章)

材料二

江门中微子实验项目位于广东江门市开平附近,于2015年开始建设。通过测量来自广东阳江和台山两处核电站的中微子,此项实验可以测定中微子质量顺序,同时开展对各类中微子、暗物质间接探测等前沿领域的研究。

开平距广东阳江和台山两处核电站的距离均为53公里左右,与最佳实验站址的理论区域吻合。核反应堆是地球上产生中微子最集中的区域,阳江和台山两大反应堆全面建成后总功率居世界第一,可提供双倍的实验样本。实验装置距离其正上方的山顶有700米距离,如此厚度的山体和岩层相当于过滤器,可使宇宙射线的强度大幅降低,让实验团队能够得到纯净的中微子信号。可以说,开平是目前全球最适合做中微子实验的地方。

江门中微子实验装置的主体是一个有效质量为2万吨、直径35.4米的球形有机玻璃容器,是世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体中微子探测器。探测器的厚度仅120毫米,虽然“薄如蛋壳”,却有着极强的坚固性。科研人员采用了本体粘接工艺,让263块玻璃板浑然一体,完全看不出拼接痕迹。有机玻璃球内部将灌装2万吨液体闪烁体,用于捕捉中微子发出的光。玻璃容器外设有直径为41.1米的低放射性不锈钢网架,这是国内最大的单体不锈钢结构。整个网架在安装过程中不允许使用焊接技术,12万套高强度螺栓铆接全靠人工完成,建造难度极大。网架上安装了约4.5万只光电倍增管,这些椭圆形的“黄金瞳”可以将中微子的光信号转换成电信号并放大1000万倍后形成电子脉冲,成为科学家们研究的数据。光电倍增管此前只有日本企业能生产,为了完成此项实验,国内多家企业和研究所联合攻关,成功研制出了世界上探测效率最高的光电倍增管,为实验项目建设助力。有机玻璃容器和不锈钢网架结构整体称为中心探测器,浸泡在直径43.5米、装有3.5万吨高纯水的圆柱形水池中。    

江门中微子实验预计于2024年4月启动,将对当前多个领域的问题做出国际领先水平的研究,对地球物理、天体物理乃至宇宙学的研究做出重大贡献。在有关宇宙演化的系列未解之谜里,中微子研究可能成为突破口,给基础研究带来颠覆性的影响。

此项实验还有一个极富想象力的用途。或许在未来的某一天,航天员在距离地球百亿公里之遥的太阳系外,还能清楚地接收到从家里传来的信号。相信那时的人们一定会想起,今天我们在地下700米深处所付出的努力。

(取材于王贻芳、王婧、吴月辉等的相关文章)

1.根据材料一,下列理解与推断不正确的一项是(3分)

A.中微子不带电、质量微小,不参与粒子间的相互作用。

B.中微子被称为“幽灵粒子”,是因为它很难被察觉到。

C.发现中微子第三种振荡模式的难度极大。

D.发现三种中微子先于发现中微子振荡。

2.根据材料二,下列关于江门中微子实验选址的表述,不正确的一项是(3分)

A.开平市的地理位置处于实验站址距核电站的最佳理论范围之内。

B.开平与阳江、台山两处核电站在位置上形成了一个等腰三角形。

C.广东阳江和台山的两处核电站产生的中微子数量均居世界首位。

D.厚达700米的山体和岩层的过滤作用可保证中微子信号的纯净。

3.根据材料二,下列关于江门中微子实验装置的表述,不正确的一项是(3分)

A.形容玻璃容器“薄如蛋壳”是相对而言,其厚度的绝对值并不低。

B.从“黄金瞳”的比喻中可以大略推测出光电倍增管的颜色和形状。

C.国产光电倍增管的产品质量已全面超越日本企业生产的同类产品。

D.江门中微子实验装置的整体形态就像一只圆桶中浸泡着一个西瓜。

4.根据材料一和材料二,下列理解不正确的一项是(3分)

A.两处实验都依靠核电站产生的大量中微子来开展基础研究。

B.大亚湾实验的研究成果可为江门实验的顺利开展奠定基础。

C.江门中微子实验项目的规模更大,其研究前景也更为广阔。

D.两处实验都具有多元研究目标,均已取得突破性研究成果。

5.江门中微子实验项目无疑是一项“超级工程”。请联系两则材料,简要概括建设这一“超级工程”具有哪些方面的意义。(6分)

【参考答案】

1. A(3分)  2.C(3分)   3.C(3分)   4.D(3分)

5.【答案要点及评分标准】有利于推动基础理论研究,开创物理理论新体系,推动多领域高水平研究成果的达成和应用(3分)。有利于促进核心技术自主创新,推动关键部件的研发生产(2分)。提升在复杂工程中解决挑战性问题的设计和建设能力(1分)。

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