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追尋粒子世界的“隱世高手”
2019-08-28 15:54:04 來源:科技日報 作者: 【 】 瀏覽:34次 評論:0

  江門中微子探測器示意圖:球形的中微子探測器置于水池中心,上下與四周均被2米以上的水包圍以屏蔽本底,在水池頂部采用徑跡探測器作為反符合探測器,鋼網架上安放光電倍增管以探測中微子。圖片來源:江門中微子實驗官網

  輕如塵、快似光,能夠輕易穿越各種物體,還能時不時“變身”——中微子無疑是基本粒子世界里的“隱世高手”;此外,它們或許還隱藏著有關宇宙大爆炸的絕世秘密。正因如此,任何關于它們的線索都可謂價值連城。

  據日本媒體近日報道,日本文部科學省將建設探測中微子的下一代“頂級神岡”(Hyper-K)探測器,計劃于2025年后投入使用,旨在揭示宇宙起源和物質誕生等謎團。

  中國科學院高能物理學家曹俊研究員對科技日報記者說:“中微子探測器需要一個極干凈的環境:需要放在很深的地下,用巖石阻擋宇宙射線;需要泡在水中,用水來阻擋來自巖石、空氣等的天然放射性。”他介紹,除了“頂級神岡”,中國江門中微子實驗(JUNO)裝置以及美國“深部地下中微子實驗”(DUNE)設施也分別將于2022年和2026年“上崗”,這三大中微子實驗,有望為我們揭開宇宙中最難以捉摸的幽靈粒子的“神秘面紗”。

  江門中微子實驗裝置

  迄今,人類研究中微子已經超過半個世紀,但對其性質至今仍然沒有詳細的了解,甚至連它的確切質量也不清楚。為此,科學家們新建了一些實驗裝置,希望“掀起它的蓋頭來”。

  打頭陣的將是位于廣東的正在建設的江門中微子實驗裝置,它是中國前所未有的最復雜高能物理實驗裝置,與目前最好的國際同類裝置相比,它的規模大20倍,精度提高近一倍。

  據曹俊介紹,江門中微子實驗裝置2015年開始建設,計劃2021年底完成探測器建造。該裝置包括位于地下700米的洞室、大型水池、一個裝滿2萬噸液體和光電倍增管的中微子探測器以及少量配套設施。

  會發出閃光的液體是探測中微子的介質。當大量中微子穿過探測器時,偶爾會在探測器內發生反應,發出極其微弱的閃光,從而被光電倍增管捕捉到。

  曹俊表示:“江門中微子實驗旨在測定中微子質量順序、精確測量中微子混合參數,同時也將研究大氣中微子、太陽中微子、超新星中微子、地球中微子等。測定中微子質量順序,不僅有助理解微觀的粒子物理規律,也將對宇宙學、天體物理學、地球物理學作出重大貢獻。”

  “深部地下中微子實驗”

  據美國趣味科學網站近日報道,設在美國的“深部地下中微子實驗”由兩部分組成,一部分位于費米實驗室,包括一個巨大的中微子槍,其會將質子加速到接近光速,使其粉碎,在終端每秒射出數萬億個中微子。

  這些中微子將從費米實驗室出發,沿直線前進,直到它們撞上第二部分——約1300公里外、位于地下深處約1600米的桑福德地下研究設施,此處的探測器里約裝有4萬噸液態氬。

  據悉,DUNE能夠更好地描述中微子振蕩的特性,還能探測到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。

  DUNE設施被認為是美國未來幾十年的“旗艦實驗室”,來自多個國家的專家將對實驗室獲得的數據進行分析,進一步了解中微子的“性格”。

  “頂級神岡”探測器

  日本文部科學省8月21日確定了在岐阜縣飛騨市建設下一代中微子探測器——“頂級神岡”探測器的計劃,這一探測器是日本現有“超級神岡”探測器的后繼設施。

  “超級神岡”位于一座山下1000米深處,其光傳感器浸沒于5萬噸純水中。1998年,“超級神岡”提供了首個確鑿證據,證明中微子和反中微子可以在3種類型之間振蕩,項目負責人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學獎。

  而“頂級神岡”探測器將建于地下約650米處,主體設施為直徑74米、高約60米的圓柱狀水槽,規模是“超級神岡”的5倍以上。水池壁上設置約4萬個傳感器,捕捉太空飛來的中微子在水中發生反應后發出的微弱閃光。

  “頂級神岡”將在2025年左右開始尋找自然界(比如核聚變和超新星)產生的中微子。由于設施巨大、傳感器性能高,“頂級神岡”不僅在探測超新星方面更高效,也有望揭示為什么宇宙主要由物質而非反物質構成。

  理論學家稱,理解這一點的關鍵是測量中微子和反中微子之間的不對稱性,特別是兩者在不同類型之間振蕩的速度差異。“超級神岡”已看到相關線索,“頂級神岡”應能進行更精確測量。

  希望即將上崗的這三大“劍客”能讓中微子的“身世秘密”大白于天下;蛟S在此過程中,會涌現多個諾貝爾獎獲得者,誰知道呢?(記者 劉 霞)

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