那些捕捉中微子的“大家伙”

安利

中微子是自然界数量最丰富的粒子，每秒钟穿过我们身体的中微子就有大约100万亿个；中微子又是最难以捕捉的粒子之一，它重量轻（不超过单个电子质量的50万分之一）、运动速度快（接近光速）且极少与其他物质相互作用，人类所捕捉到的中微子通常以个数记。别看中微子小到可以忽略不计，捕捉和研究中微子的科学装置却很大，科学家们正在用它们发现和研究中微子，从而更好地理解宇宙的起源和演化。

1.从大亚湾到江门

根据粒子物理学的“标准模型理论”，物质世界是由12种基本粒子组成的，其中有3种中微子（电子中微子、μ子中微子和τ子中微子），中微子是不带质量的。但是，科研人员在实验中发现了中微子的振荡现象，这意味着中微子是有质量的。此前，两种中微子振荡模式，即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被证实，而第三种中微子振荡模式则在2012年3月8日，由我国大亚湾实验研究团队宣布发现。此项发现曾被《科学》杂志评为2012年十大科学突破之一，还获得2016年国家自然科学一等奖。

2020年12月12日，这座位于广东大亚湾核电站北部山地地下的大亚湾反应堆中微子实验装置停止运行，宣告退役，江门中微子实验将接过接力棒。在广东江门开平市金鸡镇一座花岗岩山体之下700多米深处，正在挖掘建设一座迄今世界最大的实验洞室，预计于2023年投入运行。江门中微子实验的核心是一个直径35.4米的有机玻璃球，内装2万吨透明液体闪烁体（简称“液闪”），外面遍布着数万个大、小光电倍增管。这个中微子探测器还要被泡在一个46米深的纯净水池中。该实验的首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，即判断三种中微子谁轻谁重；接下来进一步精确测量中微子质量的具体大小，同时与无中微子“双贝塔衰变实验”一起研究，判定中微子是否为其“反粒子”，这是影响中微子天文学和中微子宇宙学的重要因素。

2.从SNO到SNO+

中微子探测器根据高速粒子通过介质时发出切伦科夫光辐射的现象来探测中微子，这种方法对三种中微子都有效果。探测装置一旦捕获中微子，液闪将发出微弱的闪光，闪光被光电倍增管捕捉，并将微弱的光信号转换成电信号，通过计算机再转换成数字信号后就可为科研所用。尽管中微子充斥宇宙空间，但其产生的信号非常弱，会被宇宙射线产生的信号完全掩盖，所以中微子实验室大都建在地下深处，通过厚厚的岩石层把地球外的带电粒子屏蔽掉。不仅如此，岩石中、空气中甚至人体中的放射性，都可能对实验产生影响，所以探测设备还要泡在纯水里，以屏蔽干扰。启用于1999年的萨德伯里中微子观测站（SNO）就位于加拿大安大略省萨德伯里附近的一座2100米深的镍矿坑中，是世界上最深的地下实验室，它的球形容器直径12米，容器周围安装了9600个光电倍增管，整个容器浸泡在30米高的圆柱形水池中。

尽管美国物理学家雷·戴维斯因在1968年首次成功测量到太阳产生的中微子，并因此获得2002年諾贝尔物理学奖，但在很长一段时间内，科学家难以解释为何测到的中微子数仅有预期的三分之一。SNO实验则解开了“太阳中微子失踪之谜”。一项发表于2001年的研究结果指出，太阳中微子“失踪”是因为三种不同的中微子之间发生了相互转化，即中微子振荡。这一结果在2002年得到了日本超级神冈探测器的证实。在完成太阳中微子探测任务后，SNO经过改造升级为SNO+，进一步开展中微子研究。

3.神冈、超级神冈与顶级神冈

2002年因探测宇宙中微子而获得诺贝尔物理学奖的还有日本科学家小柴昌俊。他利用的是同样设置在矿井下的神冈探测器。1987年2月，神冈探测器记录到11个来自大麦哲伦星云中超新星1987A爆发时产生的中微子，这是人类首次探测到太阳系以外的中微子。此外，还发现了“大气中微子反常”现象。得益于这些发现，神冈探测器被大规模扩建为超级神冈（Super K）探测器，其主要部分是一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，加灌了5万吨纯净水，布设了1.3万个光电倍增管。Super K主要用来探测大气中微子信号。这种中微子是宇宙射线轰击地球上层大气的产物，以两种类型出现：电子中微子和μ子中微子。1998年，Super K首次发现了中微子振荡的关键证据，即观测到了μ子中微子转变为τ子中微子的现象，这显示中微子也有微小的质量。小柴昌俊的学生梶田隆章也因此与来自SNO团队的加拿大人阿瑟·麦克唐纳共同获得2015年的诺贝尔物理学奖。

Super K的继承者将是顶级新冈（Hyper K），一旦建成将成为世界上最大的中微子探测器，其主设施高达60米，直径74米，内部可容纳26万吨纯净水，有大约4万个光电倍增管。可以探测来自宇宙射线、太阳、超新星和粒子加速器等各种来源的中微子。

4.“沙丘”实验

预计于2025年推出的美国“沙丘”实验，即“深层地下中微子实验”（DUNE）与日本Hyper K以及中国江门地下中微子观测站（JUNO）同列为三项下一代中微子实验项目。其中，美、日实验项目可通过加速器实现人工产生中微子进行研究，产生的中微子数目少，但方向确定，可降低测量难度；中国江门（还包括以前的大亚湾）实验项目则利用核反应产生的中微子进行研究，产生的中微子数量多，但其方向、能量不确定，会给实验增加难度。“沙丘”实验将安装世界最强的中微子源与两个相距1300千米的中微子“探头”，分别位于费米实验室和南达科他州桑福德地下研究设施，两个“探头”能够探测到粒子之间的相互作用。DUNE对电子中微子异常敏感，将成为世界上唯一能精确测量电子中微子的实验室。

5.南极“冰立方”

就屏蔽信号干扰来说，没有比拥有深厚、纯净冰层的南极更加适合的地方了，这就是科学家选择在南极建立中微子探测站的原因。“冰立方”（IceCube）由86根光缆组成，每根光缆安装有60个探测器，共有5160个探测器。这些探测器全部被埋在一个长、宽、高都是1000米的冰层里，故称“冰立方”。这块巨冰位于阿蒙森-斯科特南极科考站附近的南极冻原，最深处离地面2450米，最浅处也有1450米。2013年，冰立方首次捕捉到两个高能中微子，其能量大于1000万亿电子伏特。研究表明，它们可能来自银河系外。