追尋粒子世界的“隱世高手”

江門中微子探測器示意圖：球形的中微子探測器置於水池中心，上下與四周均被2米以上的水包圍以屏蔽本底，在水池頂部採用徑跡探測器作為反符合探測器，鋼網架上安放光電倍增管以探測中微子。 圖片來源：江門中微子實驗官網

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輕如塵、快似光，能夠輕易穿越各種物體，還能時不時“變身”——中微子無疑是基本粒子世界裏的“隱世高手”；此外，它們或許還隱藏着有關宇宙大爆炸的絕世秘密。正因如此，任何關於它們的線索都可謂價值連城。

據日本媒體近日報道，日本文部科學省將建設探測中微子的下一代“頂級神岡”（Hyper-K）探測器，計劃於2025年後投入使用，旨在揭示宇宙起源和物質誕生等謎團。

中國科學院高能物理學家曹俊研究員對科技日報記者説：“中微子探測器需要一個極乾淨的環境：需要放在很深的地下，用岩石阻擋宇宙射線；需要泡在水中，用水來阻擋來自岩石、空氣等的天然放射性。”他介紹，除了“頂級神岡”，中國江門中微子實驗（JUNO）裝置以及美國“深部地下中微子實驗”（DUNE）設施也分別將於2022年和2026年“上崗”，這三大中微子實驗，有望為我們揭開宇宙中最難以捉摸的幽靈粒子的“神秘面紗”。

江門中微子實驗裝置

迄今，人類研究中微子已經超過半個世紀，但對其性質至今仍然沒有詳細的瞭解，甚至連它的確切質量也不清楚。為此，科學家們新建了一些實驗裝置，希望“掀起它的蓋頭來”。

打頭陣的將是位於廣東的正在建設的江門中微子實驗裝置，它是中國前所未有的最複雜高能物理實驗裝置，與目前最好的國際同類裝置相比，它的規模大20倍，精度提高近一倍。

據曹俊介紹，江門中微子實驗裝置2015年開始建設，計劃2021年底完成探測器建造。該裝置包括位於地下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施。

會發出閃光的液體是探測中微子的介質。當大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內發生反應，發出極其微弱的閃光，從而被光電倍增管捕捉到。

曹俊表示：“江門中微子實驗旨在測定中微子質量順序、精確測量中微子混合參數，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。測定中微子質量順序，不僅有助理解微觀的粒子物理規律，也將對宇宙學、天體物理學、地球物理學作出重大貢獻。”

“深部地下中微子實驗”

據美國趣味科學網站近日報道，設在美國的“深部地下中微子實驗”由兩部分組成，一部分位於費米實驗室，包括一個巨大的中微子槍，其會將質子加速到接近光速，使其粉碎，在終端每秒射出數萬億個中微子。

這些中微子將從費米實驗室出發，沿直線前進，直到它們撞上第二部分——約1300公里外、位於地下深處約1600米的桑福德地下研究設施，此處的探測器里約裝有4萬噸液態氬。

據悉，DUNE能夠更好地描述中微子振盪的特性，還能探測到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。

DUNE設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實驗室獲得的數據進行分析，進一步瞭解中微子的“性格”。

“頂級神岡”探測器

日本文部科學省8月21日確定了在岐阜縣飛騨市建設下一代中微子探測器——“頂級神岡”探測器的計劃，這一探測器是日本現有“超級神岡”探測器的後繼設施。

“超級神岡”位於一座山下1000米深處，其光傳感器浸沒於5萬噸純水中。1998年，“超級神岡”提供了首個確鑿證據，證明中微子和反中微子可以在3種類型之間振盪，項目負責人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學獎。

而“頂級神岡”探測器將建於地下約650米處，主體設施為直徑74米、高約60米的圓柱狀水槽，規模是“超級神岡”的5倍以上。水池壁上設置約4萬個傳感器，捕捉太空飛來的中微子在水中發生反應後發出的微弱閃光。

“頂級神岡”將在2025年左右開始尋找自然界（比如核聚變和超新星）產生的中微子。由於設施巨大、傳感器性能高，“頂級神岡”不僅在探測超新星方面更高效，也有望揭示為什麼宇宙主要由物質而非反物質構成。

理論學家稱，理解這一點的關鍵是測量中微子和反中微子之間的不對稱性，特別是兩者在不同類型之間振盪的速度差異。“超級神岡”已看到相關線索，“頂級神岡”應能進行更精確測量。

希望即將上崗的這三大“劍客”能讓中微子的“身世秘密”大白於天下。或許在此過程中，會湧現多個諾貝爾獎獲得者，誰知道呢？

（科技日報北京8月26日電）