液体氩气和狩猎中微子：科学如何矿山和存储数千吨不可见的元素

摘要：中微子 - 极为难以捉摸的颗粒：例如，其中绝大多数出生在太阳的肠子中，能够在整个地球上毫无障碍。但是，尽管相互作用很少，但它们仍然可以面对物质的原子，包括在探测器中。正是这些罕见的冲突有助于物理学家记录颗粒并研究其特性。

中微子 - 极为难以捉摸的颗粒：例如，其中绝大多数出生在太阳的肠子中，能够在整个地球上毫无障碍。但是，尽管相互作用很少，但它们仍然可以面对物质的原子，包括在探测器中。正是这些罕见的冲突有助于物理学家记录颗粒并研究其特性。

现代中微子探测器越来越多地将液体氩作为工作环境。这种气体具有相当高的原子质量，这使其成为与中微子相互作用的良好目标。在液态状态下，它看起来像水 - 透明，但非常冷。

当中微子与氩原子相互作用时，由于相互作用的结果，形成了整个新颗粒的“致敬”，这些颗粒会继续在检测器内部移动。他们穿过环境，从其他氩原子中敲打电子。得益于强大的电场，科学家收集了这些电子，这使他们能够恢复所得粒子的路径，并分析其行为，更深入地了解中微子的特性及其相互作用的性质。

液体ARG在中微子的研究中还有其他优势，因此它被广泛用于实验中。例如，微酮检测器使用了170吨这种物质，在SBND中使用了270吨，伊卡洛斯（Icarus）使用了760吨。但是，与现在正在建设的巨型沙丘项目相比，所有这些态度都变得苍白。在他的工作结束时，计划使用令人惊叹的70,000吨液体氩气。

但是出现了一个重要的问题：从哪里获得如此量的液体氩气？这里有好消息和坏消息。好消息是，液态氩在行业中广泛使用 - 例如，它用于焊接和高精度电子产品的生产。坏消息是，即使是最纯粹的工业氩气也不足以进行中微子研究。

因此，科学家有两个关键的任务：如何获得氩气以及将其达到与中微子合作所需的清洁水平需要做什么？让我们更详细地解决这个问题。

事实证明，氩气是地球上相当普遍的元素。我们每天呼吸大约是1％的空气。他们产生这种天然气的是公司的气氛。空气的主要成分是氮（78％）和氧（21％）。其他一切都是氩气，以及二氧化碳，水蒸气和各种污染物的小杂质。

液体氩的生产过程始于空气净化。首先，它通过过滤器，去除水，二氧化碳，灰尘和其他杂质。然后将空气冷却至极低的温度，直到变成液体。在此阶段，液体空气看起来像水，只是同时仍然非常冷。

获得液体空气后，将其分为组成部分开始。此过程基于各种气体的沸腾温度差异：

氮在77 K（-196°C）时沸腾，氩气在87 K（-186°C），90 K（-183°C）的氧气。

首先，将液体空气稍微加热至77 K，氮气开始蒸发。当它完全去除时，氧气和氩气仍然保留。接下来，温度升高到87 K，氩气也蒸发，仅留下液体氧气。然后收集蒸发的氩气并再次冷却，将其变成液体。从本质上讲，这是蒸馏的过程，类似于在强含酒精饮料或油产品的生产中使用的方法。

但是生产只是第一阶段。因此，它变得适合与中微子合作，需要更多的东西：必须将其清除到令人难以置信的高度纯度。

即使是商业上负担得起的氩气则具有高度的纯度 - 其中杂质的水平可能仅为百万分之0.1（ppm）。这意味着70,000吨的液体氩气仅包含约7公斤杂质。听起来很干净，但是对于中微子探测器来说足够了吗？

为了使液体氩在大规模安装（例如沙丘）中有效工作，它应允许电子移动几米而不会造成巨大损失。这是由于中微子相互作用点可能远非记录信号的传感器。您可以表达一个类比：氩气中电子的运动类似于光线通过玻璃的通道。如果玻璃至少有点云彩，则可见性范围会大大降低。在氩气的情况下，即使是最少的污染物数量也可能阻止电子移动。

在此过程中，主要的“敌人”是氧气。该元素具有极强的反应性，并与电子相互作用。即使是少量的氧气也使电子的移动几乎不可能。如果一个普通的工业氩气涌入检测器，电子可能只通过了大约两毫米，需要数米才能工作中微子科学家。

为了使探测器正常运行，有必要将液体氩气的纯度提高到每万亿（PPT）的10份，这比您在市场上购买的价格要清洁几千倍。

要实现这种纯度是一项艰巨的任务，但它已经实现了。为此，请使用氧的化学特征 - 它可以轻松进入反应的能力。如果您通过包含特殊金属的过滤系统跳过氩气，它们会捕获氧分子，几乎没有杂质。此过程使您可以获得准备中微子探测器的超形液体氩气。

但是，组织这样的清洁系统有多困难？哪些技术使我们能够长期保持如此高的纯度？