那些年，我們追過的中微子
2019-06-11 08:39:34王善欽吳雪峰
科學24小時 2019年2期
王善欽 吳雪峰
中微子十分神秘，不可捉摸。所以科學家花費了許多心血制造了多種重要的中微子探測器，來捕捉各種各樣的中微子。目前已取得累累碩果。
神岡探測器：發(fā)現(xiàn)超新星中微子
神岡探測器 （Kamiokande） 的全稱是“神岡核衰變實驗”，位于日本神岡町的茂住礦山地下914米的深處。
神岡探測器由東京大學宇宙線研究所負責，于1982年開始建設，1983年4月建成。整個探測器是一個高為16米、寬約15.6米的大水箱，里面有3000噸水。水箱內(nèi)壁安裝有大約1000個光電倍增管。探測器根據(jù)粒子的切倫科夫輻射探測中微子。
1987年，神岡探測器探測到銀河系外的一顆編號為SN 1987A的超新星發(fā)射出的中微子而揚名世界。2002年，探測到太陽中微子的戴維斯和神岡探測器的負責人之一的小柴昌俊共同獲得了諾貝爾物理學獎。
超級神岡探測器：發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩
1991年，神岡探測器開始升級，并于1996年完成升級。升級后的神岡探測器被稱為“超級神岡” （Super-Kamiokande，縮寫為Super K）?！俺壣駥碧綔y器里蓄有5萬噸純水，箱子內(nèi)壁安裝著大約1.3萬個光電倍增管。
1998年，梶田隆章負責的小組利用超級神岡探測器收集到的數(shù)據(jù)，證明了大氣中微子出現(xiàn)振蕩。一部分謬中微子轉(zhuǎn)化為陶中微子（當時還沒有探測到陶中微子），這說明中微子的靜止質(zhì)量并不為零。此前的模型都假設中微子和光子一樣，靜止質(zhì)量為零。這個發(fā)現(xiàn)意味著此前的模型都需要修改。2015年，梶田隆章與麥克唐納共同獲得了諾貝爾物理學獎。
現(xiàn)在，“超級神岡”又在升級，預計將于2025年完成升級，成為“頂級神岡” （Hyper-Kamiokande，縮寫為Hyper K），里面的純凈水的質(zhì)量將增加到100萬噸。
薩德伯里中微子天文臺：發(fā)現(xiàn)太陽中微子振蕩
1968年，戴維斯的實驗發(fā)現(xiàn)被探測到的太陽中微子數(shù)目明顯低于理論計算值。此后有理論物理學家提出：這是因為電中微子的一部分在前往地球的途中轉(zhuǎn)化為其他種類的中微子，而后者不能被當時的探測器探測到。
為了探測到那些變“味”的太陽中微子，物理學家們于1990年在加拿大薩德伯里地下2072米深處的一個廢棄的鎳礦中，開始建立一個中微子天文臺，即薩德伯里中微子天文臺 （Sudbury Neutrino Observatory，縮寫為SNO） 。
SNO的核心是一個直徑12米的丙烯酸塑料容器，里面裝著1000噸重水作為介質(zhì)，外面安裝著9600個光電倍增管作為探測器。大量中微子穿過SNO時，其中的極少數(shù)中微子與重水的分子碰撞，會激發(fā)出帶電粒子。只要后者的速度超過了重水中的光速，就可以產(chǎn)生切倫科夫輻射。SNO于1999年5月建成并開始運行，其實驗負責人是麥克唐納。
2001年，麥克唐納負責的小組根據(jù)SNO中微子天文臺得到的數(shù)據(jù)，證明太陽發(fā)出的電中微子有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹囍形⒆樱@是“中微子振蕩”的另一個模式。這個結(jié)果不僅證實了這類中微子振蕩的新模式，也證明了太陽聚變理論的正確性，并解開了太陽（電）中微子失蹤之謎。2002年，SNO測出3種中微子的流量強度，發(fā)現(xiàn)它們的總和與理論計算值一致，進一步證實了中微子振蕩理論與太陽聚變模型。
大亞灣中微子實驗：發(fā)現(xiàn)中微子最后一類振蕩模式
中微子振蕩有3種類型。電中微子與謬中微子之間的振蕩和謬中微子與陶中微子之間的振蕩這2類已經(jīng)分別被“超級神岡”和SNO確認，但電中微子與陶中微子之間的振蕩卻長期沒有得到確認。
為了確認中微子的第3種振蕩模式——電中微子與陶中微子之間的振蕩，中國科學院高能物理研究所于2003年建議在大亞灣核電站附近的山洞里建設中微子探測器。選擇在大亞灣建立中微子探測器，是因為大亞灣核電站中的核反應堆在工作過程中會釋放出大量電中微子，在附近建立起中微子探測器，是“變廢為寶”的舉措。這個項目于2007年開始建設，引起了國際上許多小組的合作興趣，很快就組成了一支由中國主導、國際多個小組參與的大型團隊。
大亞灣中微子實驗室有3個由水平隧道相連的實驗廳：大亞灣近點、嶺澳近點與遠點。每個廳里有2個圓柱形探測器，放在純凈水之中，水可以屏蔽掉一些背景干擾。每個探測器里有20噸閃爍液、約1000個光電倍增管。實驗廳附近6個反應堆產(chǎn)生的大量反電子中微子進入探測器，會激發(fā)出切倫科夫輻射，使后者被光電倍增管探測到。2011年，這個實驗開始運行。
2012年3月8日，大亞灣中微子實驗以高度可靠的數(shù)據(jù)確認了中微子振蕩的第3種振蕩模式——電中微子轉(zhuǎn)變?yōu)樘罩形⒆拥拇嬖?。這次實驗還計算出了這類振蕩發(fā)生的幾率。這也是最后被發(fā)現(xiàn)的一種振蕩模式。2012年年底，大亞灣中微子實驗獲得的成果被美國《科學》雜志評為2012年度世界十大科學突破之一。
2015年11月9日，大亞灣中微子實驗團隊與其他4個中微子研究團隊以及它們的7個帶頭人獲得了2016年科學突破獎。其中，大亞灣實驗團隊的2個帶頭人是中國科學院高能物理研究所的王貽芳研究員與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的陸錦標教授。這也是中國科學家首次獲得這個獎項。
在確認了中微子振蕩的新模式之后，大亞灣中微子實驗室的目標轉(zhuǎn)為測量中微子質(zhì)量的大小順序。2015年，中國科學院高能物理研究所在深圳西邊的江門開平市的打石山開始建造江門中微子實驗室（JUNO），計劃于2020年建成。這個實驗室是大亞灣中微子實驗室的升級版本，因此也被稱為“大亞灣中微子實驗室二期”。
JUNO所在的實驗廳位于地下700米，使用包含2萬噸閃爍液的中微子探測器，是大亞灣中微子實驗室的探測器中閃爍液的1000倍。這些液體中，99.7%是無毒、易降解的烷基苯。JUNO探測中微子的能量精度可以達到3%，精度超過所有目前正在運行的中微子探測器。
鍺探測陣列：嘗試揭示我們?yōu)槭裁磿嬖?/h3>
大自然中很多微觀粒子都有對應的反粒子，比如電子的反粒子就是正電子，質(zhì)子的反粒子就是反質(zhì)子。當然，也有一些粒子的反粒子就是自身，比如光子的反粒子就是光子。上文曾提及，中微子的反粒子就是反中微子。不過，還有一種理論認為：中微子的反粒子就是中微子自身。那么，中微子的反粒子到底是什么呢？
如果這個問題能夠得到解答，就會為“宇宙萬物為何會存在”這個問題提供重要的線索。這是因為，物理學家認為，宇宙中的所有粒子如果是正反對稱的，那么這些粒子就會彼此湮滅，全都成為不帶電的粒子，宇宙中就不會有電子、質(zhì)子這樣的帶電粒子，也就無法構(gòu)成我們的物質(zhì)世界，更不會有地球和人類。
但事實上，這些物質(zhì)都真實存在。這就意味著，宇宙中正反粒子的數(shù)目是不同的。這是為什么呢？目前物理學家還沒有找到答案。不過，物理學家認為，如果中微子的反粒子就是自身，那么就會有一種罕見的、被稱為“無中微子雙β衰變”的反應發(fā)生。這個反應釋放出2個電子，但不釋放中微子。
為了驗證中微子的反粒子是否就是自身，意大利格蘭薩索國家實驗室用鍺76探測器來探究是否有這樣的反應發(fā)生。這個探測器位于地下1400米深處，含35.6千克的鍺76。
2017年4月，鍺76探測器小組在英國的《自然》雜志發(fā)表論文，宣布未發(fā)現(xiàn)“無中微子雙β衰變”反應?；蛘哒f，沒有找到“中微子的反粒子為自身”的證據(jù)，從而給“中微子的反粒子為自身”的假設施加了非常嚴格的限制。
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