那些捕捉中微子的“大家伙”

安利

中微子是自然界數量最豐富的粒子，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（不超過單個電子質量的50萬分之一）、運動速度快（接近光速）且極少與其他物質相互作用，人類所捕捉到的中微子通常以個數記。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現和研究中微子，從而更好地理解宇宙的起源和演化。

1.從大亞灣到江門

根據粒子物理學的“標準模型理論”，物質世界是由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），中微子是不帶質量的。但是，科研人員在實驗中發現了中微子的振蕩現象，這意味著中微子是有質量的。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現。此項發現曾被《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一座花崗巖山體之下700多米深處，正在挖掘建設一座迄今世界最大的實驗洞室，預計于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，內裝2萬噸透明液體閃爍體（簡稱“液閃”），外面遍布著數萬個大、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堆中微子振蕩確定中微子質量順序，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+

中微子探測器根據高速粒子通過介質時發出切倫科夫光輻射的現象來探測中微子，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換成電信號，通過計算機再轉換成數字信號后就可為科研所用。盡管中微子充斥宇宙空間，但其產生的信號非常弱，會被宇宙射線產生的信號完全掩蓋，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，都可能對實驗產生影響，所以探測設備還要泡在純水里，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，科學家難以解釋為何測到的中微子數僅有預期的三分之一。SNO實驗則解開了“太陽中微子失蹤之謎”。一項發表于2001年的研究結果指出，太陽中微子“失蹤”是因為三種不同的中微子之間發生了相互轉化，即中微子振蕩。這一結果在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后，SNO經過改造升級為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爆發時產生的中微子，這是人類首次探測到太陽系以外的中微子。此外，還發現了“大氣中微子反?！爆F象。得益于這些發現，神岡探測器被大規模擴建為超級神岡（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物，以兩種類型出現：電子中微子和μ子中微子。1998年，Super K首次發現了中微子振蕩的關鍵證據，即觀測到了μ子中微子轉變為τ子中微子的現象，這顯示中微子也有微小的質量。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，其主設施高達60米，直徑74米，內部可容納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人工產生中微子進行研究，產生的中微子數目少，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產生的中微子進行研究，產生的中微子數量多，但其方向、能量不確定，會給實驗增加難度?！吧城稹睂嶒瀸惭b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。