廣東江門中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理

歷時(shí)9年多,，位于中國廣東的江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器主體于2024年11月20日全部建成,，計(jì)劃明年正式運(yùn)行。消息一出,，科技界對(duì)之高度關(guān)注,。那么，讓科學(xué)家“興師動(dòng)眾”的中微子是什么神秘物質(zhì),？為何要將中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的主體建在地下700米,？通過它又可以開展哪些科學(xué)研究呢？我們請(qǐng)中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員雷淼來說一說,。廣東江門中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理,！

一樁“失竊案”引出中微子

中微子其實(shí)是一種被預(yù)言出來的基本粒子，這一設(shè)想的開頭,，是一樁“能量失竊案”,。

放射性元素有種現(xiàn)象叫作“β衰變”，即原子核里的中子會(huì)衰變?yōu)橘|(zhì)子,，并放出一個(gè)電子（也稱β粒子）,。英國物理學(xué)家查德威克在1914年通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，β粒子具有連續(xù)的能譜,，也就是說,，它的能量不是個(gè)確定值，而是從零到某一上限中的各種可能性都有,，而它的兩個(gè)“兄弟”α粒子和γ射線總是乖乖地帶出確定的能量,。這個(gè)現(xiàn)象令科學(xué)家大惑不解，既然β粒子不是次次都一樣,，那么少掉的那些能量跑哪兒去了,？

對(duì)于這樁“能量失竊案”，奧地利物理學(xué)家泡利主張,，除了電子之外,，β衰變還產(chǎn)生了一個(gè)當(dāng)時(shí)科技手段探測(cè)不到的極小中性粒子，帶著能量偷偷溜走了,。1932年,，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米把泡利預(yù)言的假想粒子稱為“中微子”（Neutrino）。

1956年,，美國物理學(xué)家萊因斯和柯溫在距離美國薩瓦納河反應(yīng)堆堆芯11米遠(yuǎn)的地下12米深處,，用400升氯化鎘水溶液和4200升液體閃爍體搭建出當(dāng)時(shí)世界最大的中微子探測(cè)器，明確檢測(cè)到來自反應(yīng)堆的中微子,，終于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)“能量竊賊”,。

如今，在地球上指甲蓋大小的面積,，每秒就有600億個(gè)太陽中微子浩浩蕩蕩地通過,。由于質(zhì)量極小的中微子表現(xiàn)不出什么引力,，而弱相互作用的作用距離又極短，因此中微子在穿過一般物質(zhì)時(shí)基本不會(huì)受到阻礙,。打個(gè)比方,，穿過地球這么厚的物質(zhì)，100億個(gè)中微子可能只會(huì)被截住一個(gè),。

要抓住它,，就要用到中微子探測(cè)設(shè)備。這種設(shè)備通常是個(gè)大容器,，里面裝滿透明度極高的熒光液體,，周邊圍了一圈光電倍增管。在穿越探測(cè)設(shè)備的無數(shù)中微子里,，假如有個(gè)幸運(yùn)兒撞進(jìn)了熒光液體中的某個(gè)原子核,，并和質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，那么這個(gè)質(zhì)子就會(huì)變成中子,，并釋放一個(gè)正電子,。正電子隨即和附近的電子湮滅，化為一對(duì)γ光子,，然后激發(fā)熒光液體發(fā)出一次可見光的閃爍,，這種閃爍被設(shè)置在周圍的光電倍增管監(jiān)測(cè)到，科學(xué)家就能“看到”中微子了,。這種熒光液體叫作“液體閃爍體”,，簡稱“液閃”。

江門中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理

中微子會(huì)一邊飛行,，一邊變身為其他類型的中微子,，然后還能變回來，這種現(xiàn)象被科學(xué)家稱作“中微子振蕩”,。這個(gè)過程中,，中微子被發(fā)現(xiàn)有3種質(zhì)量本征態(tài)：1態(tài)、2態(tài),、3態(tài),。目前，科學(xué)家對(duì)中微子質(zhì)量起源的機(jī)制還不夠了解,，只能把這些參數(shù)當(dāng)成獨(dú)立變量，從實(shí)驗(yàn)中測(cè)量它們,。2012年3月,，我國的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)從7個(gè)國家的8個(gè)小組中脫穎而出，率先給出了1態(tài),、3態(tài)之間的混合參數(shù),。

作為下一代中微子研究項(xiàng)目,，江門中微子實(shí)驗(yàn)站是目前全世界最大的液閃中微子探測(cè)器。它深埋在地下700米,，上方還有270米高的花崗巖山體充當(dāng)屏蔽層,，能很好地減少宇宙線的干擾。探測(cè)器的核心設(shè)施是一個(gè)直徑35.4米的有機(jī)玻璃球,，內(nèi)部裝有2萬噸直鏈烷基苯液體閃爍體,，并被45000根光電倍增管包圍著。這個(gè)主探測(cè)器由直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼支撐,，完全浸沒在一個(gè)44米深的水池中,，水池承擔(dān)著屏蔽宇宙線與測(cè)量宇宙線徑跡以排除干擾的功能。

江門實(shí)驗(yàn)站的首要科學(xué)目標(biāo)是對(duì)3種中微子做質(zhì)量測(cè)序,，質(zhì)量差異導(dǎo)致的能級(jí)分化在距粒子源50-55公里處才比較顯著,，因此，江門實(shí)驗(yàn)站選址在距離陽江與臺(tái)山兩座核電站各53公里的位置,。其所用的液閃非常干凈,，具有很高的光輸出、極好的透明度和極低的放射性本底,，光傳輸衰減長度大于20米,，這是目前世界最高水平。中國科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家發(fā)明了全新構(gòu)型和電子放大方式的新型光電倍增管,，收集效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)國際領(lǐng)先,，并擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

歷史上，已有4次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了中微子方面的研究,，其科學(xué)價(jià)值可見一斑,。然而圍繞中微子，仍有眾多謎團(tuán)待揭曉,，比如涉及其質(zhì)量大小和起源,、質(zhì)量順序、是否造成宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱等,，這些都是重量級(jí)的物理學(xué)話題,，甚至牽涉到宇宙起源模型問題。而且,，中微子研究有潛力發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理,，對(duì)理解宇宙演化、恒星形成、超新星爆發(fā)機(jī)制等具有重要意義,。除了研究反應(yīng)堆中微子之外,，江門實(shí)驗(yàn)站探測(cè)器還可以探索地球中微子、太陽中微子,、超新星中微子和假說的惰性中微子,。預(yù)計(jì)2030年，江門實(shí)驗(yàn)站探測(cè)器升級(jí)后將能夠測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量,，有望在一系列基礎(chǔ)物理領(lǐng)域取得突破性的進(jìn)展,。廣東江門中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理。