APP 作者：羅會仟 中國科學院物理研究所
2024年10月10日，位于廣東江門地下700米的大科學裝置——江門中微子實驗傳來好消息，安裝完成了世界上最大的有機玻璃球并建設(shè)了95%的中心探測器，預(yù)計11月底完成全部設(shè)備安裝，隨后啟動超純水和液體閃爍體的灌裝，2025年8月正式運行取數(shù)。
那么，什么是中微子？為什么要探測并研究中微子呢？江門中微子實驗為什么要建造如此巨大的有機玻璃球？我們可以期待什么科學發(fā)現(xiàn)呢？今天我們一起走近江門中微子實驗裝置，了解中微子的相關(guān)研究故事。
“中微子”這個名字曾經(jīng)被“中子”張冠李戴，因為人們發(fā)現(xiàn)β衰變前后能量似乎不守恒，泡利起初把這部分丟失的能量歸結(jié)為一種電中性且靜止質(zhì)量為零的粒子，取名為“中子”(neutron)，但是后來查德威克發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)部具有質(zhì)量且也是電中性的中子，于是費米把泡利說的零質(zhì)量的“中子”改名叫做中微子(neutrino)。
三種不同的中微子
后來大家發(fā)現(xiàn)，其實中微子就是中子衰變的“幽靈粒子”，中子會衰變成一個電子、一個質(zhì)子，加上一個中微子。如今，人們已經(jīng)摸清楚了中微子家族實際上是“三胞胎”：分別是電子中微子、繆子（μ子）中微子和陶子（τ子）中微子。對應(yīng)的，它們還有“表兄弟三胞胎”，也就是它們各自的反粒子。由于弱相互作用宇稱不守恒，中微子和反中微子的手性不同，一群是“左撇子”，另一群是“右撇子”。
有了中微子家族，基本粒子的標準模型就顯得十分完美。但關(guān)鍵問題是，在標準模型里面中微子本來應(yīng)該沒有靜止質(zhì)量——也就說符合泡利當初的預(yù)期。但是后來實驗結(jié)果卻出人意料，越來越多的證據(jù)說明中微子可能具有靜止質(zhì)量。所以，中微子是唯一一個讓標準模型顯得不完美的粒子，科學家因此特別關(guān)注它。目前，關(guān)于中微子的研究已經(jīng)獲得4次諾貝爾物理學獎，但是對幽靈般的中微子的理解才剛剛開始。
要說明中微子的性質(zhì)是否符合理論預(yù)期，首先需要去想辦法探測它。雖然自然界的中微子很多很多，無論在地球哪個角落，每秒鐘大約會有1000萬億個中微子穿過你的身體。但是，它不怎么與其他粒子發(fā)生作用，大約100億個中微子中的1個會與原子核發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生速度較高的電子、繆子或陶子等帶電粒子。這些帶電粒子的運動會在液體中進一步出現(xiàn)切倫科夫輻射，也就是放出光子，正是通過探測這些微弱的光子來反推中微子的存在。中微子的探測器要足夠大——盡可能增加探測的體積，足夠暗——盡可能屏蔽其他光子或宇宙射線的干擾，足夠透——探測介質(zhì)要盡可能透明讓放出的光子抵達探測器。
日本的超級神岡中微子探測器
從1930年泡利提出中微子的概念，到正式探測到核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子已經(jīng)是1956年。隨后的1962年，美國科學家發(fā)現(xiàn)了μ子衰變產(chǎn)生的中微子；1968年，研究了太陽中微子；1987年，日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。也就是說，中微子可以在核反應(yīng)堆、太陽核聚變、超新星爆發(fā)等劇烈核反應(yīng)過程中出現(xiàn)。這些實驗可以告訴我們一個共同的事實，中微子的靜止質(zhì)量真的很可能不為零！但麻煩的是，我們并不知道中微子三胞胎里哪個是哥哥，哪個是弟弟，也就是它們的“體重”順序。這是因為，中微子在運動過程中會互相“變身”，也就是三胞胎之間會隨時發(fā)生身份轉(zhuǎn)換，比如電子中微子會變成繆子中微子或陶子中微子，如何變身則取決于中微子的能量和運動方向。所以，即使你觀測到一個中微子，它極有可能并不是此前的那個中微子，也不是此后的那個中微子，這個時候再想認出是哥哥還是弟弟，簡直不要太迷茫！
中微子的變身稱之為“中微子振蕩”，此前在太陽中微子和大氣中微子實驗中都被觀測到。2012年3月8日，我國的大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗確定了第三種中微子震蕩模式。接下來的任務(wù)，就是需要進一步做更加精確的實驗，來想辦法給中微子三胞胎“稱體重”，確定中微子振蕩的具體參數(shù)。大亞灣實驗裝置在2020年12月12日正式退役，接替它的就是江門中微子實驗裝置，簡稱JUNO。JUNO從2019年7月開工建設(shè)，預(yù)計2024年11月基本完工，2025年正式開始中微子探測實驗。
江門中微子實驗探測器
JUNO裝置位于廣東開平金雞鎮(zhèn)打石山地下700米。如果進入實驗大廳，就發(fā)現(xiàn)一個巨大的球形探測器，被牢牢固定在直徑43.5米、深44米的圓柱形“水桶”里。探測器由一個直徑41米的不銹鋼網(wǎng)殼，內(nèi)部包裹著一個直徑35.4米的有機玻璃球，有機玻璃球里面則將裝上2萬噸液體閃爍體以及45000只光電倍增管，這整整比大亞灣實驗的20噸液閃探測器大了1000倍！這個有機玻璃球也成為了世界最大的單體有機玻璃結(jié)構(gòu)，于2024年10月10日正式完工。為什么需要如此巨大的球體呢？這是因為要盡可能地“俘獲”中微子讓其發(fā)生反應(yīng)，放出的微弱光子抵達光電倍增管之后，光信號轉(zhuǎn)換成電信號并被放大1000萬倍，最終被探測器接收。球形的結(jié)構(gòu)就是為了更準確地給出中微子的能量和位置信息，所以這個有機玻璃球加上光電倍增管需要越圓越好。為了盡可能屏蔽巖石放射性以及甄別宇宙線引起的假中微子信號，玻璃球外的“水桶”里還將灌滿35000噸超純水。這樣整個有機玻璃球就像海洋里的一顆璀璨明珠一樣，靜靜地等候中微子的到來。
江門中微子實驗的科學目標，除了給中微子三胞胎“稱體重”——也就是確定其質(zhì)量順序之外，還會給他們“量身高”——精確測量相關(guān)的中微子振蕩參數(shù)，同時我們還可能期待發(fā)現(xiàn)新型的中微子或者類似中微子的新粒子。此外，JUNO還將用中微子給地球做“透視”，也有可能探測到來自超新星爆發(fā)等宇宙極端事件產(chǎn)生的中微子。同期和JUNO競爭的裝置有美國深層地下中微子實驗（DUNE）和日本頂級神岡探測器（Hyper-K），目前進度來看JUNO有可能是最早開始計數(shù)的。預(yù)計2030年左右，江門中微子實驗會進一步升級改造為世界最大的無中微子雙β衰變實驗，由此可以完全測量中微子絕對質(zhì)量，從而判斷其反粒子是否是其自身。江門中微子實驗裝置計劃運行30年，讓我們一起期待未來還會有許多激動人心的發(fā)現(xiàn)！
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：羅會仟
審核：張雙南
出品：中國科協(xié)科普部
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