廣東江門中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理

歷時9年多，位于中國廣東的江門中微子實驗探測器主體于2024年11月20日全部建成,，計劃明年正式運行,。消息一出,，科技界對之高度關注,。那么,，讓科學家“興師動眾”的中微子是什么神秘物質(zhì),？為何要將中微子實驗探測器的主體建在地下700米,？通過它又可以開展哪些科學研究呢？我們請中國科普作家協(xié)會會員雷淼來說一說,。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

中微子其實是一種被預言出來的基本粒子，這一設想的開頭,，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衰變?yōu)橘|(zhì)子,，并放出一個電子（也稱β粒子）,。英國物理學家查德威克在1914年通過實驗證實，β粒子具有連續(xù)的能譜,，也就是說,，它的能量不是個確定值，而是從零到某一上限中的各種可能性都有,，而它的兩個“兄弟”α粒子和γ射線總是乖乖地帶出確定的能量,。這個現(xiàn)象令科學家大惑不解，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,？

對于這樁“能量失竊案”，奧地利物理學家泡利主張,，除了電子之外,，β衰變還產(chǎn)生了一個當時科技手段探測不到的極小中性粒子，帶著能量偷偷溜走了,。1932年,，美籍意大利物理學家費米把泡利預言的假想粒子稱為“中微子”（Neutrino）。

1956年,，美國物理學家萊因斯和柯溫在距離美國薩瓦納河反應堆堆芯11米遠的地下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時世界最大的中微子探測器，明確檢測到來自反應堆的中微子,，終于發(fā)現(xiàn)了這個“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)時基本不會受到阻礙,。打個比方，穿過地球這么厚的物質(zhì),，100億個中微子可能只會被截住一個,。

要抓住它，就要用到中微子探測設備,。這種設備通常是個大容器,，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,。在穿越探測設備的無數(shù)中微子里,，假如有個幸運兒撞進了熒光液體中的某個原子核，并和質(zhì)子發(fā)生反應,，那么這個質(zhì)子就會變成中子,，并釋放一個正電子。正電子隨即和附近的電子湮滅,，化為一對γ光子,，然后激發(fā)熒光液體發(fā)出一次可見光的閃爍，這種閃爍被設置在周圍的光電倍增管監(jiān)測到,，科學家就能“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)象被科學家稱作“中微子振蕩”,。這個過程中,，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，科學家對中微子質(zhì)量起源的機制還不夠了解,，只能把這些參數(shù)當成獨立變量,，從實驗中測量它們。2012年3月,，我國的大亞灣中微子實驗從7個國家的8個小組中脫穎而出,，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目,，江門中微子實驗站是目前全世界最大的液閃中微子探測器。它深埋在地下700米,，上方還有270米高的花崗巖山體充當屏蔽層,，能很好地減少宇宙線的干擾。探測器的核心設施是一個直徑35.4米的有機玻璃球,，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。這個主探測器由直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼支撐,，完全浸沒在一個44米深的水池中,，水池承擔著屏蔽宇宙線與測量宇宙線徑跡以排除干擾的功能。

江門實驗站的首要科學目標是對3種中微子做質(zhì)量測序,，質(zhì)量差異導致的能級分化在距粒子源50-55公里處才比較顯著,，因此，江門實驗站選址在距離陽江與臺山兩座核電站各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。中國科學院高能物理研究所的科學家發(fā)明了全新構型和電子放大方式的新型光電倍增管,，收集效率等關鍵技術指標國際領先,，并擁有完全自主知識產(chǎn)權。

歷史上,，已有4次諾貝爾物理學獎頒給了中微子方面的研究，其科學價值可見一斑,。然而圍繞中微子,，仍有眾多謎團待揭曉，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)的不對稱等,，這些都是重量級的物理學話題,，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)超出標準模型的新物理,，對理解宇宙演化、恒星形成,、超新星爆發(fā)機制等具有重要意義,。除了研究反應堆中微子之外，江門實驗站探測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。預計2030年,，江門實驗站探測器升級后將能夠測量中微子的絕對質(zhì)量,，有望在一系列基礎物理領域取得突破性的進展。廣東江門中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理,。