中微子“三劍客” 追尋粒子世界的“隱世高手”

輕如塵、快似光，能夠輕易穿過各種物體，還能時不時“變身”，中微子無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是價值連城。

江門中微子實驗裝置

迄今，人類研究中微子已經(jīng)超過半個世紀，但對其性質(zhì)至今仍然沒有詳細的了解，甚至連其確切的質(zhì)量也不清楚。為此，科學(xué)家們新建了一些實驗裝置，希望能“掀起它的蓋頭來”。

中微子探測器需要一個極干凈的環(huán)境：需要放在很深的地下，用巖石阻擋宇宙射線;需要泡在水中，用水來阻擋來自巖石、空氣等的天然放射性。位于廣東的正在建設(shè)的江門中微子實驗裝置是中國前所未有的最復(fù)雜的高能物理實驗裝置，與目前最好的國際同類裝置相比，它的規(guī)模大20倍，精度提高近一倍。

江門中微子實驗裝置于2015年開始建設(shè)，計劃在2021年底完成探測器建造。該裝置包括位于地下700米的洞室、大型水池、一個裝滿2萬噸液體和光電倍增管的中微子探測器，以及少量配套設(shè)施。會發(fā)出閃光的液體是探測中微子的介質(zhì)，當(dāng)大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內(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。

江門中微子實驗旨在測定中微子質(zhì)量順序、精確測量中微子混合參數(shù)，同時也將研究大氣中微子、太陽中微子、超新星中微子、地球中微子等。測定中微子質(zhì)量順序不僅有助于理解微觀的粒子物理規(guī)律，也將對宇宙學(xué)、天體物理學(xué)、地球物理學(xué)作出重大貢獻。

深部地下中微子實驗

設(shè)在美國的深部地下中微子實驗由兩部分組成，一部分位于費米實驗室，包括一個巨大的中微子槍，會將質(zhì)子加速到接近光速，使其粉碎，在終端每秒射出數(shù)萬億個中微子。這些中微子將從費米實驗室出發(fā)，沿直線前進，直到它們撞上第二部分——位于地下深處約一千六百米的桑福德地下研究設(shè)施，此處的探測器里裝有約四萬噸液態(tài)氬。

據(jù)悉，深部地下中微子實驗?zāi)軌蚋玫孛枋鲋形⒆诱袷幍奶匦?，還能探測到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。計劃于2026年“上崗”的深部地下中微子實驗設(shè)施被認為是美國未來幾十年的“旗艦實驗室”，來自多個國家的專家將對其獲得的數(shù)據(jù)進行分析，進一步了解中微子的“性格”。

“頂級神岡”探測器

日前，日本文部科學(xué)省建設(shè)的探測中微子的下一代“頂級神岡”探測器，是日本現(xiàn)有“超級神岡”探測器的后繼設(shè)施。

“超級神岡”位于一座山下1000米深處，其光傳感器浸沒于5萬噸純水中。1998年，“超級神岡”提供了首個確鑿證據(jù)，證明中微子和反中微子可以在3種類型之間振蕩，項目負責(zé)人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學(xué)獎。而“頂級神岡”探測器將建于地下約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“超級神岡”的5倍以上。水池壁上設(shè)置約4萬個傳感器，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。

“頂級神岡”將在2025年左右開始尋找自然界核聚變和超新星產(chǎn)生的中微子，由于設(shè)施巨大、傳感器性能高，不僅在探測超新星方面更高效，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。

即將上崗的這三大中微子實驗“劍客”有望為人們揭開宇宙中最難以捉摸的幽靈粒子的“神秘面紗”。而在此過程中，又會涌現(xiàn)多少個諾貝爾獎獲得者呢？