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(guò)我們身體的中微子就有大約100萬(wàn)億個(gè)；中微子又是最難以捕捉的粒子之一，它重量輕（不超過(guò)單個(gè)電子質(zhì)量的50萬(wàn)分之一）、運(yùn)動(dòng)速度快（接近光速）且極少與其他物質(zhì)相互作用，人類(lèi)所捕捉到的中微子通常以個(gè)數(shù)記。別看中微子小到可以忽略不計(jì)，捕捉和研究中微子的科學(xué)裝置卻很大，科學(xué)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(mén)

根據(jù)粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(yáng)中微子之謎”和“大氣中微子之謎”已被證實(shí)，而第三種中微子振蕩模式則在2012年3月8日，由我國(guó)大亞灣實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)曾被《科學(xué)》雜志評(píng)為2012年十大科學(xué)突破之一，還獲得2016年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

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(shí)驗(yàn)裝置停止運(yùn)行，宣告退役，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)將接過(guò)接力棒。在廣東江門(mén)開(kāi)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(shí)驗(yàn)洞室，預(yù)計(jì)于2023年投入運(yùn)行。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，內(nèi)裝2萬(wàn)噸透明液體閃爍體（簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”），外面遍布著數(shù)萬(wàn)個(gè)大、小光電倍增管。這個(gè)中微子探測(cè)器還要被泡在一個(gè)46米深的純凈水池中。該實(shí)驗(yàn)的首要科學(xué)目標(biāo)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(shuí)輕誰(shuí)重；接下來(lái)進(jìn)一步精確測(cè)量中微子質(zhì)量的具體大小，同時(shí)與無(wú)中微子“雙貝塔衰變實(shí)驗(yàn)”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(xué)和中微子宇宙學(xué)的重要因素。

2.從SNO到SNO+

中微子探測(cè)器根據(jù)高速粒子通過(guò)介質(zhì)時(shí)發(fā)出切倫科夫光輻射的現(xiàn)象來(lái)探測(cè)中微子，這種方法對(duì)三種中微子都有效果。探測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(hào)非常弱，會(huì)被宇宙射線產(chǎn)生的信號(hào)完全掩蓋，所以中微子實(shí)驗(yàn)室大都建在地下深處，通過(guò)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(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，所以探測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)室，它的球形容器直徑12米，容器周?chē)惭b了9600個(gè)光電倍增管，整個(gè)容器浸泡在30米高的圓柱形水池中。

盡管美國(guó)物理學(xué)家雷·戴維斯因在1968年首次成功測(cè)量到太陽(yáng)產(chǎn)生的中微子，并因此獲得2002年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家難以解釋為何測(cè)到的中微子數(shù)僅有預(yù)期的三分之一。SNO實(shí)驗(yàn)則解開(kāi)了“太陽(yáng)中微子失蹤之謎”。一項(xiàng)發(fā)表于2001年的研究結(jié)果指出，太陽(yáng)中微子“失蹤”是因?yàn)槿N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(jí)神岡探測(cè)器的證實(shí)。在完成太陽(yáng)中微子探測(cè)任務(wù)后，SNO經(jīng)過(guò)改造升級(jí)為SNO+，進(jìn)一步開(kāi)展中微子研究。

3.神岡、超級(jí)神岡與頂級(jí)神岡

2002年因探測(cè)宇宙中微子而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的還有日本科學(xué)家小柴昌俊。他利用的是同樣設(shè)置在礦井下的神岡探測(cè)器。1987年2月，神岡探測(cè)器記錄到11個(gè)來(lái)自大麥哲倫星云中超新星1987A爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的中微子，這是人類(lèi)首次探測(cè)到太陽(yáng)系以外的中微子。此外，還發(fā)現(xiàn)了“大氣中微子反常”現(xiàn)象。得益于這些發(fā)現(xiàn)，神岡探測(cè)器被大規(guī)模擴(kuò)建為超級(jí)神岡（Super K）探測(cè)器，其主要部分是一個(gè)高41.4米、直徑39.3米的圓柱形容器，加灌了5萬(wàn)噸純凈水，布設(shè)了1.3萬(wàn)個(gè)光電倍增管。Super K主要用來(lái)探測(cè)大氣中微子信號(hào)。這種中微子是宇宙射線轟擊地球上層大氣的產(chǎn)物，以?xún)煞N類(lèi)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(cè)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(xué)生梶田隆章也因此與來(lái)自SNO團(tuán)隊(duì)的加拿大人阿瑟·麥克唐納共同獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Super K的繼承者將是頂級(jí)新岡（Hyper K），一旦建成將成為世界上最大的中微子探測(cè)器，其主設(shè)施高達(dá)60米，直徑74米，內(nèi)部可容納26萬(wàn)噸純凈水，有大約4萬(wàn)個(gè)光電倍增管。可以探測(cè)來(lái)自宇宙射線、太陽(yáng)、超新星和粒子加速器等各種來(lái)源的中微子。

4.“沙丘”實(shí)驗(yàn)

預(yù)計(jì)于2025年推出的美國(guó)“沙丘”實(shí)驗(yàn)，即“深層地下中微子實(shí)驗(yàn)”（DUNE）與日本Hyper K以及中國(guó)江門(mén)地下中微子觀測(cè)站（JUNO）同列為三項(xiàng)下一代中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中，美、日實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可通過(guò)加速器實(shí)現(xiàn)人工產(chǎn)生中微子進(jìn)行研究，產(chǎn)生的中微子數(shù)目少，但方向確定，可降低測(cè)量難度；中國(guó)江門(mén)（還包括以前的大亞灣）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目則利用核反應(yīng)產(chǎn)生的中微子進(jìn)行研究，產(chǎn)生的中微子數(shù)量多，但其方向、能量不確定，會(huì)給實(shí)驗(yàn)增加難度。“沙丘”實(shí)驗(yàn)將安裝世界最強(qiáng)的中微子源與兩個(gè)相距1300千米的中微子“探頭”，分別位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和南達(dá)科他州桑福德地下研究設(shè)施，兩個(gè)“探頭”能夠探測(cè)到粒子之間的相互作用。DUNE對(duì)電子中微子異常敏感，將成為世界上唯一能精確測(cè)量電子中微子的實(shí)驗(yàn)室。

5.南極“冰立方”

就屏蔽信號(hào)干擾來(lái)說(shuō)，沒(méi)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(xué)家選擇在南極建立中微子探測(cè)站的原因。“冰立方”（IceCube）由86根光纜組成，每根光纜安裝有60個(gè)探測(cè)器，共有5160個(gè)探測(cè)器。這些探測(cè)器全部被埋在一個(gè)長(zhǎng)、寬、高都是1000米的冰層里，故稱(chēng)“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(gè)高能中微子，其能量大于1000萬(wàn)億電子伏特。研究表明，它們可能來(lái)自銀河系外。