江门中微子实验装置 追寻粒子世界的“隐世高手”

江门中微子探测器示意图：球形的中微子探测器置于水池中心，上下与四周均被2米以上的水包围以屏蔽本底，在水池顶部采用径迹探测器作为反符合探测器，钢网架上安放光电倍增管以探测中微子。

图片来源：江门中微子实验官网

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轻如尘、快似光，能够轻易穿越各种物体，还能时不时“变身”——中微子无疑是基本粒子世界里的“隐世高手”;此外，它们或许还隐藏着有关宇宙大爆炸的绝世秘密。正因如此，任何关于它们的线索都可谓价值连城。

据日本媒体近日报道，日本文部科学省将建设探测中微子的下一代“顶级神冈”(Hyper-K)探测器，计划于2025年后投入使用，旨在揭示宇宙起源和物质诞生等谜团。

中国科学院高能物理学家曹俊研究员对科技日报记者说：“中微子探测器需要一个极干净的环境：需要放在很深的地下，用岩石阻挡宇宙射线;需要泡在水中，用水来阻挡来自岩石、空气等的天然放射性。”他介绍，除了“顶级神冈”，中国江门中微子实验(JUNO)装置以及美国“深部地下中微子实验”(DUNE)设施也分别将于2022年和2026年“上岗”，这三大中微子实验，有望为我们揭开宇宙中最难以捉摸的幽灵粒子的“神秘面纱”。

江门中微子实验装置

迄今，人类研究中微子已经超过半个世纪，但对其性质至今仍然没有详细的了解，甚至连它的确切质量也不清楚。为此，科学家们新建了一些实验装置，希望“掀起它的盖头来”。

打头阵的将是位于广东的正在建设的江门中微子实验装置，它是中国前所未有的最复杂高能物理实验装置，与目前最好的国际同类装置相比，它的规模大20倍，精度提高近一倍。

据曹俊介绍，江门中微子实验装置2015年开始建设，计划2021年底完成探测器建造。该装置包括位于地下700米的洞室、大型水池、一个装满2万吨液体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套设施。

会发出闪光的液体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪光，从而被光电倍增管捕捉到。

曹俊表示：“江门中微子实验旨在测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数，同时也将研究大气中微子、太阳中微子、超新星中微子、地球中微子等。测定中微子质量顺序，不仅有助理解微观的粒子物理规律，也将对宇宙学、天体物理学、地球物理学作出重大贡献。”

“深部地下中微子实验”

据美国趣味科学网站近日报道，设在美国的“深部地下中微子实验”由两部分组成，一部分位于费米实验室，包括一个巨大的中微子枪，其会将质子加速到接近光速，使其粉碎，在终端每秒射出数万亿个中微子。

这些中微子将从费米实验室出发，沿直线前进，直到它们撞上第二部分——约1300公里外、位于地下深处约1600米的桑福德地下研究设施，此处的探测器里约装有4万吨液态氩。

据悉，DUNE能够更好地描述中微子振荡的特性，还能探测到银河系和邻近星系中超新星释放的中微子等。

DUNE设施被认为是美国未来几十年的“旗舰实验室”，来自多个国家的专家将对实验室获得的数据进行分析，进一步了解中微子的“性格”。

“顶级神冈”探测器

日本文部科学省8月21日确定了在岐阜县飞騨市建设下一代中微子探测器——“顶级神冈”探测器的计划，这一探测器是日本现有“超级神冈”探测器的后继设施。

“超级神冈”位于一座山下1000米深处，其光传感器浸没于5万吨纯水中。1998年，“超级神冈”提供了首个确凿证据，证明中微子和反中微子可以在3种类型之间振荡，项目负责人梶田隆章因此荣膺2015年诺贝尔物理学奖。

而“顶级神冈”探测器将建于地下约650米处，主体设施为直径74米、高约60米的圆柱状水槽，规模是“超级神冈”的5倍以上。水池壁上设置约4万个传感器，捕捉太空飞来的中微子在水中发生反应后发出的微弱闪光。

“顶级神冈”将在2025年左右开始寻找自然界(比如核聚变和超新星)产生的中微子。由于设施巨大、传感器性能高，“顶级神冈”不仅在探测超新星方面更高效，也有望揭示为什么宇宙主要由物质而非反物质构成。

理论学家称，理解这一点的关键是测量中微子和反中微子之间的不对称性，特别是两者在不同类型之间振荡的速度差异。“超级神冈”已看到相关线索，“顶级神冈”应能进行更精确测量。

希望即将上岗的这三大“剑客”能让中微子的“身世秘密”大白于天下。或许在此过程中，会涌现多个诺贝尔奖获得者，谁知道呢?

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