三大“劍客”解密中微子

輕如塵、快似光，能夠輕易穿越各種物體，還能時(shí)不時(shí)“變身”——中微子無(wú)疑是基本粒子世界里的“隱世高手”；此外，它們或許還隱藏著有關(guān)宇宙大爆炸的絕世秘密。正因如此，任何關(guān)于它們的線索都可謂價(jià)值連城。迄今，人類研究中微子已經(jīng)超過半個(gè)世紀(jì)，但對(duì)其性質(zhì)至今仍然沒有詳細(xì)的了解，甚至連它的確切質(zhì)量也不清楚。為此，科學(xué)家們新建了一些實(shí)驗(yàn)裝置，希望“掀起它的蓋頭來”。打頭陣的將是位于廣東的正在建設(shè)的江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置，它是中國(guó)前所未有的最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置，與目前最好的國(guó)際同類裝置相比，它的規(guī)模大20倍，精度提高近1倍。據(jù)曹俊介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置于2015年開始建設(shè)，計(jì)劃2021年年底完成探測(cè)器建造。該裝置包括位于地下700米的洞室、大型水池、一個(gè)裝滿2萬(wàn)噸液體和光電倍增管的中微子探測(cè)器以及少量配套設(shè)施，會(huì)發(fā)出閃光的液體是探測(cè)中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過探測(cè)器時(shí)，偶爾會(huì)在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃光，從而被光電倍增管捕捉到。曹俊表示：“江門中微子實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)定中微子質(zhì)量順序、精確測(cè)量中微子混合參數(shù)，同時(shí)也將研究大氣中微子、太陽(yáng)中微子、超新星中微子及地球中微子等。測(cè)定中微子質(zhì)量順序，不僅有助于理解微觀的粒子物理規(guī)律，也將對(duì)宇宙學(xué)、天體物理學(xué)、地球物理學(xué)做出重大貢獻(xiàn)?！睋?jù)報(bào)道，設(shè)在美國(guó)的“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”由兩部分組成，一部分位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，包括一個(gè)巨大的中微子槍，其會(huì)將質(zhì)子加速到接近光速，使其粉碎，在終端每秒射出數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子。這些中微子將從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室出發(fā)，沿直線前進(jìn)，直到它們撞上第二部分——約1300公里外、位于地下深處約1600米的桑福德地下研究設(shè)施，此處的探測(cè)器里約裝有4萬(wàn)噸液態(tài)氬。據(jù)悉，DUNE能夠更好地描述中微子振蕩的特性，還能探測(cè)到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。DUNE設(shè)施被認(rèn)為是美國(guó)未來幾十年的“旗艦實(shí)驗(yàn)室”，來自多個(gè)國(guó)家的專家將對(duì)實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解中微子的“性格”。

日本文部科學(xué)省于近日確定了在岐阜縣飛驒市建設(shè)下一代中微子探測(cè)器——“頂級(jí)神岡”探測(cè)器的計(jì)劃，這一探測(cè)器是日本現(xiàn)有“超級(jí)神岡”探測(cè)器的后繼設(shè)施。“超級(jí)神岡”位于一座山下1000米深處，其光傳感器浸沒于5萬(wàn)噸純水中。1998年，“超級(jí)神岡”提供了首個(gè)確鑿證據(jù)，證明中微子和反中微子可以在3種類型之間振蕩，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而“頂級(jí)神岡”探測(cè)器將建于地下約650米處，主體設(shè)施為直徑74米、高約60米的圓柱狀水槽，規(guī)模是“超級(jí)神岡”的5倍以上。水池壁上設(shè)置約4萬(wàn)個(gè)傳感器，捕捉太空飛來的中微子在水中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的微弱閃光。“頂級(jí)神岡”將在2025年左右開始尋找自然界（比如核聚變和超新星）產(chǎn)生的中微子。由于設(shè)施巨大、傳感器性能高，“頂級(jí)神岡”不僅在探測(cè)超新星方面更高效，也有望揭示為什么宇宙主要由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成。理論學(xué)家稱，理解這一點(diǎn)的關(guān)鍵是測(cè)量中微子和反中微子之間的不對(duì)稱性，特別是兩者在不同類型之間振蕩的速度差異?！俺?jí)神岡”已看到相關(guān)線索，“頂級(jí)神岡”應(yīng)能進(jìn)行更精確地測(cè)量。希望即將上崗的這三大“劍客”能讓中微子的“身世秘密”大白于天下?；蛟S在此過程中，會(huì)涌現(xiàn)多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，誰(shuí)知道呢？