那些捕捉中微子的“大家伙”

安利

中微子是自然界數(shù)量最豐富的粒子，每秒鐘穿過我們身體的中微子就有大約100萬億個；中微子又是最難以捕捉的粒子之一，它重量輕（不超過單個電子質(zhì)量的50萬分之一）、運動速度快（接近光速）且極少與其他物質(zhì)相互作用，人類所捕捉到的中微子通常以個數(shù)記。別看中微子小到可以忽略不計，捕捉和研究中微子的科學裝置卻很大，科學家們正在用它們發(fā)現(xiàn)和研究中微子，從而更好地理解宇宙的起源和演化。

1.從大亞灣到江門

根據(jù)粒子物理學的“標準模型理論”，物質(zhì)世界是由12種基本粒子組成的，其中有3種中微子（電子中微子、μ子中微子和τ子中微子），中微子是不帶質(zhì)量的。但是，科研人員在實驗中發(fā)現(xiàn)了中微子的振蕩現(xiàn)象，這意味著中微子是有質(zhì)量的。此前，兩種中微子振蕩模式，即“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”已被證實，而第三種中微子振蕩模式則在2012年3月8日，由我國大亞灣實驗研究團隊宣布發(fā)現(xiàn)。此項發(fā)現(xiàn)曾被《科學》雜志評為2012年十大科學突破之一，還獲得2016年國家自然科學一等獎。

2020年12月12日，這座位于廣東大亞灣核電站北部山地地下的大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗裝置停止運行，宣告退役，江門中微子實驗將接過接力棒。在廣東江門開平市金雞鎮(zhèn)一座花崗巖山體之下700多米深處，正在挖掘建設(shè)一座迄今世界最大的實驗洞室，預(yù)計于2023年投入運行。江門中微子實驗的核心是一個直徑35.4米的有機玻璃球，內(nèi)裝2萬噸透明液體閃爍體（簡稱“液閃”），外面遍布著數(shù)萬個大、小光電倍增管。這個中微子探測器還要被泡在一個46米深的純凈水池中。該實驗的首要科學目標是利用反應(yīng)堆中微子振蕩確定中微子質(zhì)量順序，即判斷三種中微子誰輕誰重；接下來進一步精確測量中微子質(zhì)量的具體大小，同時與無中微子“雙貝塔衰變實驗”一起研究，判定中微子是否為其“反粒子”，這是影響中微子天文學和中微子宇宙學的重要因素。

2.從SNO到SNO+

中微子探測器根據(jù)高速粒子通過介質(zhì)時發(fā)出切倫科夫光輻射的現(xiàn)象來探測中微子，這種方法對三種中微子都有效果。探測裝置一旦捕獲中微子，液閃將發(fā)出微弱的閃光，閃光被光電倍增管捕捉，并將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過計算機再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后就可為科研所用。盡管中微子充斥宇宙空間，但其產(chǎn)生的信號非常弱，會被宇宙射線產(chǎn)生的信號完全掩蓋，所以中微子實驗室大都建在地下深處，通過厚厚的巖石層把地球外的帶電粒子屏蔽掉。不僅如此，巖石中、空氣中甚至人體中的放射性，都可能對實驗產(chǎn)生影響，所以探測設(shè)備還要泡在純水里，以屏蔽干擾。啟用于1999年的薩德伯里中微子觀測站（SNO）就位于加拿大安大略省薩德伯里附近的一座2100米深的鎳礦坑中，是世界上最深的地下實驗室，它的球形容器直徑12米，容器周圍安裝了9600個光電倍增管，整個容器浸泡在30米高的圓柱形水池中。

盡管美國物理學家雷·戴維斯因在1968年首次成功測量到太陽產(chǎn)生的中微子，并因此獲得2002年諾貝爾物理學獎，但在很長一段時間內(nèi)，科學家難以解釋為何測到的中微子數(shù)僅有預(yù)期的三分之一。SNO實驗則解開了“太陽中微子失蹤之謎”。一項發(fā)表于2001年的研究結(jié)果指出，太陽中微子“失蹤”是因為三種不同的中微子之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化，即中微子振蕩。這一結(jié)果在2002年得到了日本超級神岡探測器的證實。在完成太陽中微子探測任務(wù)后，SNO經(jīng)過改造升級為SNO+，進一步開展中微子研究。

3.神岡、超級神岡與頂級神岡

2002年因探測宇宙中微子而獲得諾貝爾物理學獎的還有日本科學家小柴昌俊。他利用的是同樣設(shè)置在礦井下的神岡探測器。1987年2月，神岡探測器記錄到11個來自大麥哲倫星云中超新星1987A爆發(fā)時產(chǎn)生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的中微子。此外，還發(fā)現(xiàn)了“大氣中微子反?！爆F(xiàn)象。得益于這些發(fā)現(xiàn)，神岡探測器被大規(guī)模擴建為超級神岡（Super K）探測器，其主要部分是一個高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，加灌了5萬噸純凈水，布設(shè)了1.3萬個光電倍增管。Super K主要用來探測大氣中微子信號。這種中微子是宇宙射線轟擊地球上層大氣的產(chǎn)物，以兩種類型出現(xiàn)：電子中微子和μ子中微子。1998年，Super K首次發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩的關(guān)鍵證據(jù)，即觀測到了μ子中微子轉(zhuǎn)變?yōu)棣幼又形⒆拥默F(xiàn)象，這顯示中微子也有微小的質(zhì)量。小柴昌俊的學生梶田隆章也因此與來自SNO團隊的加拿大人阿瑟·麥克唐納共同獲得2015年的諾貝爾物理學獎。

Super K的繼承者將是頂級新岡（Hyper K），一旦建成將成為世界上最大的中微子探測器，其主設(shè)施高達60米，直徑74米，內(nèi)部可容納26萬噸純凈水，有大約4萬個光電倍增管?？梢蕴綔y來自宇宙射線、太陽、超新星和粒子加速器等各種來源的中微子。

4.“沙丘”實驗

預(yù)計于2025年推出的美國“沙丘”實驗，即“深層地下中微子實驗”（DUNE）與日本Hyper K以及中國江門地下中微子觀測站（JUNO）同列為三項下一代中微子實驗項目。其中，美、日實驗項目可通過加速器實現(xiàn)人工產(chǎn)生中微子進行研究，產(chǎn)生的中微子數(shù)目少，但方向確定，可降低測量難度；中國江門（還包括以前的大亞灣）實驗項目則利用核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子進行研究，產(chǎn)生的中微子數(shù)量多，但其方向、能量不確定，會給實驗增加難度。“沙丘”實驗將安裝世界最強的中微子源與兩個相距1300千米的中微子“探頭”，分別位于費米實驗室和南達科他州桑福德地下研究設(shè)施，兩個“探頭”能夠探測到粒子之間的相互作用。DUNE對電子中微子異常敏感，將成為世界上唯一能精確測量電子中微子的實驗室。

5.南極“冰立方”

就屏蔽信號干擾來說，沒有比擁有深厚、純凈冰層的南極更加適合的地方了，這就是科學家選擇在南極建立中微子探測站的原因?！氨⒎健保↖ceCube）由86根光纜組成，每根光纜安裝有60個探測器，共有5160個探測器。這些探測器全部被埋在一個長、寬、高都是1000米的冰層里，故稱“冰立方”。這塊巨冰位于阿蒙森-斯科特南極科考站附近的南極凍原，最深處離地面2450米，最淺處也有1450米。2013年，冰立方首次捕捉到兩個高能中微子，其能量大于1000萬億電子伏特。研究表明，它們可能來自銀河系外。