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在费米实验室组装过程中，MicroBooNE的时间投影室——中微子相互作用发生的地方。这个房间长十米，高两米半。来源:费米实验室

你如何在从太空流来的粒子“干草堆”中发现亚原子中微子?这是物理学家们用地球表面附近的探测器研究中微子的可怕前景。在这种非地下位置几乎没有屏蔽，通常寻找由粒子加速器产生的中微子的表面中微子探测器，受到宇宙射线的轰击——地球大气中来自更远宇宙位置的粒子流相互作用而产生的持续不断的亚原子和核粒子阵雨。这些大量的旅行者，主要是介子，创造了一个纵横交错的粒子轨迹网，可以很容易地掩盖一个罕见的中微子事件。

幸运的是，物理学家已经开发出了降低宇宙“噪音”的工具。

一个由来自美国能源部布鲁克海文国家实验室的物理学家组成的团队在最近发表在《物理应用评论》和《仪器仪表学报》(JINST)上的两篇论文中描述了这种方法。这些论文展示了科学家们从美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)的MicroBooNE探测器中提取清晰中微子信号的能力。该方法结合了类似ct扫描仪的图像重建和数据筛选技术，使加速器产生的中微子信号在宇宙射线背景中以5:1的比例突出。

“我们开发了一套算法，可以将宇宙射线背景降低10万倍，”帮助开发数据过滤技术的布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)物理学家之一张超(Chao Zhang)说。他说，如果没有过滤，MicroBooNE每一次中微子交互作用就能观测到2万条宇宙射线。“这篇论文证明了消除宇宙射线背景的关键能力。”

MicroBooNE的联合发言人、耶鲁大学教授邦妮·弗莱明(Bonnie Fleming)说:“这项工作对MicroBooNE和美国未来的中微子研究项目都至关重要。它的影响将显著地超越这种“线细胞”分析技术的使用，甚至在MicroBooNE上，在那里其他的重建范例已经采用这些数据分类方法来显著地减少宇宙射线背景。

跟踪中微子

MicroBooNE是费米实验室(Fermilab)国际短基线中微子项目(Short-Baseline Neutrino program)的三个探测器之一，每个探测器都位于与粒子加速器不同的距离，粒子加速器会产生精心控制的中微子束。这三个探测器的设计目的是在越来越远的距离上计算不同类型的中微子，以寻找与基于光束中中微子的混合以及已知的中微子“振荡”所预期的差异。振荡是中微子在三种已知类型或“味道”之间交换身份的过程。发现中微子计数的差异可能会指出一种新的未知振荡机制——也可能是第四种中微子。

左图:正在装入集装箱容器中的MicroBooNE时间投影室(TPC)。安装在腔室后部的光电倍增管(右图)通过探测同时产生的闪光，帮助识别由中微子在TPC中产生的粒子轨迹。右图:MicroBooNE探测器被放入费米实验室液体氩测试设施的主洞中

布鲁克海文实验室的科学家们在MicroBooNE探测器的设计中发挥了重要作用，特别是在探测器的超冷液体-氩气时间投影室中运行的敏感电子器件。当来自费米实验室加速器的中微子进入这个腔室时，每隔一段时间，一个中微子就会与一个氩原子相互作用，将一些粒子踢出它的原子核——一个质子或一个中子——并产生其他粒子(介子、介子)和一道闪光。被踢出的带电粒子使探测器中的氩原子电离，将它们的一些电子踢出轨道。沿着这些电离轨道形成的电子会被探测器的敏感电子设备接收到。

“整个电子轨迹沿着电场漂移，并通过探测器一端的三个不同方向的连续导线面，”张说。“当电子接近导线时，它们会产生一个信号，这样每一组导线就会从不同角度生成轨道的2D图像。”

与此同时，中微子相互作用时产生的闪光被位于线阵之外的光电倍增管接收。这些光信号告诉科学家中微子相互作用何时发生，以及轨道到达导线平面需要多长时间。

计算机将时间转换成距离，然后将2D轨迹图像拼接起来，在检测器中重建出中微子相互作用的3D图像。轨道的形状告诉科学家，是哪种味道的中微子触发了这种相互作用。

“这种3D线细胞图像重建类似于用计算机断层扫描(CT)扫描仪进行的医学成像，”张解释道。在CT扫描仪中，传感器从不同角度捕捉人体内部结构的快照，然后计算机将图像拼接在一起。他说:“想象一下，当一个人进入扫描仪时，粒子轨迹穿过三个金属线平面。”

解开宇宙之网

这听起来很简单——如果你忘了同时通过探测器的成千上万的宇宙射线的话。它们的电离轨迹也在扫描线上漂移，产生的图像看起来像一个纠缠不清的网。这就是为什么MicroBooNE的科学家们一直在研究复杂的“触发器”和筛选数据的算法，以便提取中微子信号。

MicroBooNE探测器工作原理:中微子相互作用产生带电粒子并产生闪光。带电粒子使氩原子电离并产生自由电子。电子在外电场作用下向三个导线平面漂移，并在导线上产生信号。这些金属丝从不同角度有效地记录了粒子活动的三幅图像。闪光(光子)被线平面后面的光电倍增管检测到，这就告诉了相互作用何时发生。科学家们利用来自三层导线的图像和相互作用的时间来重建中微子相互作用产生的轨迹，以及它在探测器中发生的位置。资料来源:布鲁克海文国家实验室

到2017年，他们在降低宇宙射线噪声方面取得了实质性进展。但即便如此，宇宙射线的数量还是比中微子轨道多出约200倍。新的论文描述了进一步的技术来降低这个比率，并将其转变到MicroBooNE中的中微子信号与宇宙射线背景的比例为5:1。

第一步是将中微子相互作用中产生的粒子所显示的信号与光电倍增管从相互作用中接收到的精确的闪光相匹配。

“这可不容易!”布鲁克海文实验室的物理学家钱昕说。“因为时间投影室和光电倍增管是两个不同的系统，我们不知道哪个闪光对应于探测器中的哪个事件。我们必须将每个光电倍增管的光模式与这些粒子的所有位置进行比较。如果你完成了所有的匹配，你会发现一个单一的3D物体对应着由光电倍增管测量的单一闪光。”

布鲁克·拉塞尔(Brooke Russell)曾在耶鲁大学(Yale)读研究生，现在是美国能源部(DOE)劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的博士后研究员，他对光匹配的挑战提出了类似的看法。“由于电荷信息在某些情况下与光信息不是完全互补的，在单读出基础上的电荷-光配对可能会有歧义。该团队开发的算法有助于解释这些细微差别，”她说。

尽管如此，科学家们仍然必须将每个轨道的时间与加速器中微子发射的时间进行比较(他们知道这个因素是因为他们控制着加速器光束)。“如果时间是一致的，那么可能是中微子相互作用，”钱说。

布鲁克海文研究小组开发的算法将中微子与宇宙射线事件的比率降低到每6个。

通过一种算法，消除完全穿过探测器的轨迹，拒绝额外的宇宙射线变得更容易一些。

一个应用“电荷-光”匹配算法前后的电子-中微子事件的例子。在毫秒的事件记录中，中微子相互作用通常与大约20条宇宙射线混合。将电线记录的中微子相互作用的“电荷”信号与光电倍增管记录的中微子相互作用的“光”信号进行匹配后，就可以从宇宙射线背景中清楚地分辨出来。在事件显示中，黑色的点来自电子-中微子相互作用，彩色的点是背景宇宙射线。每个红色圆圈的大小表示每个光电倍增管匹配光信号的强度。资料来源:布鲁克海文国家实验室

“大多数宇宙射线是从上到下或从一边到另一边穿过探测器的，”布鲁克海文实验室从事该算法研究的博士后纪祥潘(音)说。“如果你能识别出轨道的入口和出口，你就知道这是宇宙射线。由中微子相互作用形成的粒子必须从探测器中间开始，在那里相互作用发生。”

这使得中微子与宇宙射线的相互作用比例达到了1:1。

另外一种算法屏蔽了从检测器外开始、在检测器中间某处停止的事件——看起来与中微子事件相似，但方向相反。最后一个微调步骤排除了闪光与事件不匹配的事件，使中微子事件的检测达到了与宇宙射线相比的5比1的显著水平。

“这是我所做过的最具挑战性的分析之一，”布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)博士后研究员魏瀚宇(han - yu Wei)说。“液氩时间投影室是一种新的探测器技术，具有许多令人惊讶的特点。我们不得不发明许多独创的方法。这真的是一个团队的努力。”

张附和了这一观点，并说:“我们希望这项工作能够显著提高MicroBooNE实验在短基线上 探索 有趣物理的潜力。”事实上，我们期待着在所有三个短基线中微子探测器的实验中实施这些技术，以了解我们对中微子振荡和第四种中微子可能存在的了解。”

编译 冯维维

Nature , 22 April 2021, Volume 592 Issue 7855

《自然》 2021年4月22日，第592卷，7855期

天体物理学

Astrophysics

All-sky dynamical response of the Galactic halo to the Large Magellanic Cloud

银河系晕对大麦哲伦星云的全天动力学响应

作者：Charlie Conroy, Rohan P. Naidu, Nicolás Garavito-Camargo, Gurtina Besla, Dennis Zaritsky, Ana Bonaca & Benjamin D. Johnson

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摘要

大麦哲伦云（LMC）与银河系恒星和暗物质晕之间的引力相互作用，预计会导致银河系外的不平衡现象。

据预测，LMC的轨道上会有一个局部尾流，且在北半球大片区域会出现大规模过密度现象。作者报告了在一幅银河系地图上检测到的局部尾流和北部过密度，这幅地图是基于在60到100千秒之间的银河系中心距离上的1301颗恒星。

探测到的强烈的局部尾流是麦哲伦星云在银河系的第一个轨道上的独立证据。这些数据表明，外晕并不像人们通常认为的那样处于动态平衡状态。尾流的形态和强度可以用来测试暗物质和重力的性质。

Abstract

Abstract: Gravitational interactions between the Large Magellanic Cloud (LMC) and the stellar and dark matter halo of the Milky Way are expected to give rise to disequilibrium phenomena in the outer Milky Way. A local wake is predicted to trail the orbit of the LMC, and a large-scale overdensity is predicted to exist across a large area of the northern Galactic hemisphere. Here we report the detection of both the local wake and northern overdensity in a map of the Galaxy based on 1,301 stars at Galactocentric distances between 60 and 100 kiloparsecs. The detection of a strong local wake is independent evidence that the Magellanic clouds are on their first orbit around the Milky Way. These data demonstrate that the outer halo is not in dynamical equilibrium, as is often assumed. The morphology and strength of the wake could be used to test the nature of dark matter and gravity.

High-entropy ejecta plumes in Cassiopeia A from neutrino-driven convection

仙后座A中由中微子驱动的对流产生的高熵喷射羽流

作者：Toshiki Sato, Keiichi Maeda, Shigehiro Nagataki, Takashi Yoshida, Brian Grefenstette, Brian J. Williams, Hideyuki Umeda, Masaomi Ono & John P. Hughes

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摘要

最近的多维模拟表明，高熵浮力羽流有助于大质量恒星爆炸。在星系超新星残骸仙后座A中向外突出的富含铁的气体手指似乎与这幅图相吻合。

作者报告了在仙后座A的冲击高速富铁喷射物中，在置信水平大于5个标准偏差的情况下观察到的这些元素——稳定的钛（Ti）和铬（Cr）。

他们发现，观测到的Ti/Fe和Cr/Fe质量比需要富α冻结，提供了在爆炸时增强冲击波的高熵喷射羽流存在的证据。这些羽流的金属成分与强烈经过中微子处理的富含质子的喷出物的预测非常吻合。这些结果通过产生仙后座A的超新星中的中微子加热支持了对流超新星引擎的运行。

Abstract

Recent multi-dimensional simulations suggest that high-entropy buoyant plumes help massive stars to explode. Outwardly protruding iron (Fe)-rich fingers of gas in the galactic supernova remnant Cassiopeia A seem to match this picture. Here we report observations of such elements—stable titanium (Ti) and chromium (Cr)—at a confidence level greater than 5 standard deviations in the shocked high-velocity Fe-rich ejecta of Cassiopeia A. We found that the observed Ti/Fe and Cr/Fe mass ratios require α-rich freeze out, providing evidence of the existence of the high-entropy ejecta plumes that boosted the shock wave at explosion. The metal composition of the plumes agrees well with predictions for strongly neutrino-processed proton-rich ejecta. These results support the operation of the convective supernova engine via neutrino heating in the supernova that produced Cassiopeia A.

物理和化学

Physics & Chemistry

Multistable inflatable origami structures at the metre scale

米级多稳定充气折纸结构

作者：David Melancon, Benjamin Gorissen, Carlos J. García-Mora, Chuck Hoberman & Katia Bertoldi

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摘要

从 体育 场罩到太阳帆，人们依靠可展开性来设计大型结构，这些结构可以迅速压缩到其体积的一小部分。

作者从折纸艺术中汲取灵感，设计了多稳定、可膨胀的刚性壁可展开结构。在几何分析和实验的指导下，他们创建了一个双稳态折纸形状库，可以通过一个单一的流体压力输入部署。

然后，他们将这些单元结合起来，在米尺度上构建功能结构，如拱门和应急避难所，为建造大型充气系统提供了直接的路径，这些系统在部署后可以锁定，并通过它们僵硬的表面提供一个坚固的外壳。

Abstract

From stadium covers to solar sails, we rely on deployability for the design of large-scale structures that can quickly compress to a fraction of their size. Here we draw inspiration from origami to design rigid-walled deployable structures that are multistable and inflatable. Guided by geometric analyses and experiments, we create a library of bistable origami shapes that can be deployed through a single fluidic pressure input. We then combine these units to build functional structures at the metre scale, such as arches and emergency shelters, providing a direct route for building large-scale inflatable systems that lock in place after deployment and offer a robust enclosure through their stiff faces.

A single-molecule van der Waals compass

单分子范德瓦尔斯罗盘

作者：Boyuan Shen, Xiao Chen, Huiqiu Wang, Hao Xiong, Eric G. T. Bosch, Ivan Lazić, Dali Cai, Weizhong Qian, Shifeng Jin, Xin Liu, Yu Han & Fei Wei

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摘要

单分子成像在研究分子水平上的分子间相互作用方面具有挑战性，但也非常有益。在约束条件下，亚纳米尺度上的范德华相互作用强烈影响分子的各种行为。

受传统指南针的启发，作者使用对二甲苯分子作为旋转指针来检测MFI型沸石骨架直线通道中的主-客体范德瓦尔斯相互作用。

他们采用集成差示相位对比扫描透射电子显微镜对每个通道中的单个对二甲苯分子进行实空间成像。结合计算和成像研究的结果，建立了单分子指针的取向与通道的原子结构之间的良好相关性。

对二甲苯的取向有助识别范德瓦尔斯相互作用的变化，这与空间和时间维度上的通道几何有关。

这项工作不仅为在分子水平上研究多孔材料的主-客体范德瓦尔斯相互作用提供了一种可见和灵敏的手段，也促进了利用电子显微镜技术进一步研究其他单分子行为。

Abstract

Single-molecule imaging is challenging but highly beneficial for investigating intermolecular interactions at the molecular level. Van der Waals interactions at the sub-nanometre scale strongly influence various molecular behaviours under confinement conditions. Inspired by the traditional compass, here we use a para-xylene molecule as a rotating pointer to detect the host–guest van der Waals interactions in the straight channel of the MFI-type zeolite framework. We use integrated differential phase contrast scanning transmission electron microscopy to achieve real-space imaging of a single para-xylene molecule in each channel. A good correlation between the orientation of the single-molecule pointer and the atomic structure of the channel is established by combining the results of calculations and imaging studies. The orientations of para-xylene help us to identify changes in the van der Waals interactions, which are related to the channel geometry in both spatial and temporal dimensions. This work not only provides a visible and sensitive means to investigate host–guest van der Waals interactions in porous materials at the molecular level, but also encourages the further study of other single-molecule behaviours using electron microscopy techniques.

A highly stable and flexible zeolite electrolyte solid-state Li–air battery

高度稳定、灵活的沸石电解质固态锂空气电池

作者：Xiwen Chi, Malin Li, Jiancheng Di, Pu Bai, Lina Song, Xiaoxue Wang, Fei Li, Shuang Liang, Jijing Xu & Jihong Yu

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摘要

固态锂空气电池被认为是下一代的能源存储解决方案，以解决液体电池系统遇到的安全性和电化学稳定性问题。

然而，传统的固体电解质不适合在固态锂-空气系统中使用，因为它们对锂金属和/或空气不稳定，而且难以构建低电阻界面。作者提出了一个集成固态锂空气电池，包含一个超薄，高离子导电锂离子交换沸石X （LiX）膜作为唯一的固体电解质。

该电解质与铸锂作为阳极和碳纳米管作为阴极使用原位组装策略集成。由于锂或空气的影响，电解质的退化得到有效的抑制。

该电池的容量为每克碳纳米管12020毫安时，在电流密度为每克500毫安和每克容量为1000毫安时，其循环寿命为149次。

此循环寿命大于相同条件下锂铝锗磷酸盐电池（12次循环）和有机电解质电池（102次循环）。沸石基锂空气电池的电化学性能、灵活性和稳定性赋予其实用性，可以扩展到其他储能系统，如锂离子、钠空气和钠离子电池。

Abstract

Solid-state lithium (Li)–air batteries are recognized as a next-generation solution for energy storage to address the safety and electrochemical stability issues that are encountered in liquid battery systems. However, conventional solid electrolytes are unsuitable for use in solid-state Li–air systems owing to their instability towards lithium metal and/or air, as well as the difficulty in constructing low-resistance interfaces5. Here we present an integrated solid-state Li–air battery that contains an ultrathin, high-ion-conductive lithium-ion-exchanged zeolite X (LiX) membrane as the sole solid electrolyte. This electrolyte is integrated with cast lithium as the anode and carbon nanotubes as the cathode using an in situ assembly strategy. Owing to the intrinsic chemical stability of the zeolite, degeneration of the electrolyte from the effects of lithium or air is effectively suppressed. The battery has a capacity of 12,020 milliamp hours per gram of carbon nanotubes, and has a cycle life of 149 cycles at a current density of 500 milliamps per gram and at a capacity of 1,000 milliamp hours per gram. This cycle life is greater than those of batteries based on lithium aluminium germanium phosphate (12 cycles) and organic electrolytes (102 cycles) under the same conditions. The electrochemical performance, flexibility and stability of zeolite-based Li–air batteries confer practical applicability that could extend to other energy-storage systems, such as Li–ion, Na–air and Na–ion batteries.

气候和生态

Climate & Ecology

Equity is more important for the social cost of methane than climate uncertainty

对于甲烷的 社会 成本而言，公平比气候不确定性更重要

作者：Frank C. Errickson, Klaus Keller, William D. Collins, Vivek Srikrishnan & David Anthoff

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摘要

甲烷的 社会 成本（SC- CH4 ）衡量的是向大气中排放一吨甲烷所造成的 社会 福利的经济损失。这种评估可能反过来用于成本效益分析或为气候政策提供信息。作者通过结合最近对甲烷辐射强迫计算的25%的向上修正，结合校准的简化全球气候模型和综合评估模型（IAMs），估计了SC- CH4 。他们对SC- CH4 的多模型平均估计是在高排放情景下每吨CH4933美元，与基于美国联邦政府使用的气候不确定性框架的估计相比减少了22%。在低排放情景下（RCP ），他们的多模型估计平均每吨 CH4 减少到710美元。作者表示，较紧的平衡气候敏感性估计加上先前忽略的气候模型不确定参数之间关系的影响，降低了这些估计。将研究结果扩展到考虑 社会 对公平的关注，得出的SC- CH4 估计在低收入和高收入地区之间相差超过一个数量级。作者对美国的平均加权估计增加到每吨 CH4 8290美元，而对撒哈拉以南非洲的估计减少到每吨 CH4 134美元。

Abstract

The social cost of methane (SC- CH4 ) measures the economic loss of welfare caused by emitting one tonne of methane into the atmosphere. Here we estimate the SC- CH4 by incorporating the recent upward revision of 25 per cent to calculations of the radiative forcing of methane, combined with calibrated reduced-form global climate models and an ensemble of integrated assessment models (IAMs). Our multi-model mean estimate for the SC- CH4 is US$933 per tonne of CH4 under a high-emissions scenario, a 22 per cent decrease compared to estimates based on the climate uncertainty framework used by the US federal government. Under a low-emissions scenario (RCP ), our multi-model mean decreases to US$710 per tonne of CH4 . Tightened equilibrium climate sensitivity estimates paired with the effect of previously neglected relationships between uncertain parameters of the climate model lower these estimates. Extending our results to account for societal concerns about equity produces SC- CH4 estimates that differ by more than an order of magnitude between low- and high-income regions. Our central equity-weighted estimate for the USA increases to US$8,290 per tonne of CH4 whereas our estimate for sub-Saharan Africa decreases to US$134 per tonne of CH4 .

High and rising economic costs of biological invasions worldwide

世界范围内生物入侵造成的高昂且不断上升的经济代价

作者：Christophe Diagne, Boris Leroy, Anne-Charlotte Vaissière, Rodolphe E. Gozlan, David Roiz, Ivan Jarić, Jean-Michel Salles, Corey J. A. Bradshaw & Franck Courchamp

链接：

摘要

生物入侵造成了生物多样性的大幅度下降，以及与管理这些入侵相关的 社会 经济损失和资金支出。InvaCost数据库使世界范围内生物入侵货币成本的综合数据能够可靠、全面、标准化和易于更新。

研究发现，过去几十年（1970-2017年），入侵的总报告成本最低为万亿美元，年平均成本为268亿美元。此外，他们预计2017年的平均成本将达到1627亿美元。

这些费用仍然被严重低估，而且没有显示出任何放缓的迹象，每十年持续增长三倍。作者发现，所记录的成本分布广泛，在区域和分类规模上有很大差距，损害费用比管理费用高一个数量级。

作者表示，记录生物入侵代价的研究方法需要进一步改进。他们呼吁实施一致的管理行动和国际政策协议，以减少外来入侵物种的负担。

Abstract

Biological invasions are responsible for substantial biopersity declines as well as high economic losses to society and monetary expenditures associated with the management of these invasions. The InvaCost database has enabled the generation of a reliable, comprehensive, standardized and easily updatable synthesis of the monetary costs of biological invasions worldwide. Here we found that the total reported costs of invasions reached a minimum of US$ trillion (2017 US dollars) over the past few decades (1970–2017), with an annual mean cost of US$ billion. Moreover, we estimate that the annual mean cost could reach US$ billion in 2017. These costs remain strongly underestimated and do not show any sign of slowing down, exhibiting a consistent threefold increase per decade. We show that the documented costs are widely distributed and have strong gaps at regional and taxonomic scales, with damage costs being an order of magnitude higher than management expenditures. Research approaches that document the costs of biological invasions need to be further improved. Nonetheless, our findings call for the implementation of consistent management actions and international policy agreements that aim to reduce the burden of invasive alien species.