捕捉「幽靈粒子」：這個實驗能否洞悉宇宙歷史？

2020-10-12 北京科協

位於中國廣東省的江門中微子實驗（JUNO）是目前世界上最強大的中微子實驗之一。這個地下裝置將通過對多種來源的中微子的檢測，解答一系列基本問題。


宇宙線中電子中微子和μ中微子，它們和τ中微子之間可以相互轉換。圖片來源：IceCube/NASA
位於中國廣東省的江門中微子實驗（JUNO）是目前世界上最強大的中微子實驗之一。這個將於2022年或2023年開始運行的地下裝置，將通過對多種來源的中微子的檢測，解答一系列基本問題：3種已知中微子的質量誰大誰小？宇宙中中微子的總質量是多少，它們如何影響宇宙形成和星系分布？地球內部還有多少化學能量在驅動地球運轉？
撰文 | Ling Xin
翻譯 | 張金楠（中科院高能所）
審校 | 曹俊（中科院高能所研究員）
中微子是亞原子粒子家族中的奇葩。它們無處不在，從太陽、深空和地球湧入，飛快地穿過我們的身體，每秒達上萬億個。這些粒子是如此微小，以至於它們很少與任何東西發生相互作用，這使得它們極其難以捉摸，難以研究。此外，中微子有不同的類型，或者說味道，以接近光速飛行，並且可以在飛行中從一種類型轉換成另一種類型。科學家們相信，這些奇怪的行為可能會帶來啟示，洞察宇宙的歷史和物理學的未來。
經過近6年開挖，在香港以西約150公裡，一個巨大的中微子實驗室正在連綿起伏的山丘中成形。江門中微子實驗（JUNO）將成為世界上最強大的中微子實驗之一，與日本的「頂級神岡」實驗（Hyper-K）和美國的"沙丘中微子實驗"(DUNE)齊名。利用附近的兩座核電站作為中微子源，江門實驗的目標是更多地了解這些粒子，以回答一個基本問題：三種已知中微子的質量誰大誰小？儘管研究人員知道這些粒子具有微小的質量，但並不知道其確切大小。現有的證據表明，其中兩種味道的中微子質量比較接近，第三種則不同。但科學家們不知道第三種類型是比其他兩種重，還是比他們輕。前一種情況被稱為 "正質量順序"，後一種則被稱為 "倒質量順序"。


江門中微子實驗的建設位點。
費米國家加速器實驗室的理論物理學家約瑟夫·利肯（Joseph Lykken）說，中微子質量順序是研究人員需要確定的一個關鍵參數。"事實上，很多其它問題都取決於這個問題的答案。"他補充說。例如，這個答案可以幫助科學家更好地估計宇宙中中微子的總質量，並確定它們是如何影響宇宙形成和星系分布的。儘管中微子是所有已知物質粒子中最輕的一種，但宇宙中的中微子數量如此之多，因此它們一定對普通物質的分布產生了很大影響。理解中微子的質量順序，也可以幫助解釋為什麼中微子有質量，這是一個與早前的預期相矛盾的現象。
江門中微子實驗於2008年提出，如今有超過650名科學家在為其工作，其中近一半是中國以外的科學家。今年底或2021年初，研究人員將開始組裝13層樓高的球形探測器。探測器將被4.3萬個用來探測光的光電管覆蓋，並灌滿2萬噸專門配製的液體。在地下700米處，電子型反中微子(核反應堆產生的中微子類型)以微乎其微的機率撞上質子，並在液體中引發反應，從而產生相隔不到一毫秒的兩道閃光。加州大學爾灣分校的粒子物理學家胡安·佩德羅·奧喬亞·裡克斯（Juan Pedro Ochoa-Ricoux）說："這個小小的'巧合'就被看成是一個反應堆中微子信號。"他是江門實驗兩個光電倍增管系統之一的共同領導者。


中央探測器的概念圖像，由亞克力球體和不鏽鋼桁架組成。
當中微子從幾十公裡外的核電站到達探測器時，只有大約30%會保持原來的身份，其餘的中微子將轉換為其他類型。據江門中微子實驗副發言人、來自該項目牽頭機構中國科學院高能物理研究所的曹俊介紹，觀測站將能夠非常精確地測量這一比例。
開始運行後，江門實驗預計每天能看到大約60個這樣的信號。然而，要對質量順序問題做出一個令人信服的統計學解答，科學家們需要10萬個信號——這意味著實驗必須運行數年才能得到答案。與此同時，江門實驗將探測和研究其他來源的中微子，包括每天10到1000個來自太陽的中微子，以及當一顆超新星在離地球一定距離處爆炸時突然湧現的數千個中微子。
江門中微子實驗還可以捕捉到來自地下的，由鈾238和釷232等放射性元素自然衰變產生的所謂地球中微子。馬裡蘭大學的地質學家威廉·麥克唐納（William McDonough）說，到目前為止，研究地球中微子是了解地球內部還有多少化學能量來驅動我們的星球的唯一有效方法，他從實驗初期就參與了江門實驗。"江門實驗是這方面的遊戲規則改變者。"他說。日本、歐洲和加拿大現有的所有探測器加起來每年能看到大約20個地球中微子，而將來江門實驗每年能探測到400多個。
江門中微子實驗發言人、高能所所長王貽芳說，現在實驗正在處理地下滲水問題，這一問題已使建設進度推遲了兩年。工程師們仍需要每天抽出1.2萬噸地下水，但水位已經明顯下降了。在建設地下實驗室時，遇到水淹問題並不罕見——加拿大安大略省的薩德伯裡中微子觀測站（SNO）也遇到了這個問題。王貽芳相信，這個問題會在建設完成前得到解決。
王貽芳說，江門實驗應該在2022年底或2023年初開始運行。到本世紀20年代末，美國沙丘中微子實驗和日本頂級神岡實驗也將加入這一行列。利用加速器產生的中微子，沙丘實驗將能夠以最高精度測量中微子質量順序。它還將研究一個名為CP破壞的關鍵參數，這是一個衡量中微子與其反粒子行為差異的物理量，可以揭示中微子是否是宇宙主要由正物質構成的部分原因。"江門實驗在中微子質量順序上的結果，將幫助沙丘實驗對CP破壞進行最有效的發現和測量。"利肯說。更早的實驗，以及其他正在建立的中微子觀測站，也可能揭示一些科學家們沒有預料到的東西。中微子研究的歷史表明，這些粒子經常表現得出乎意料，利肯補充道："我覺得綜合這些實驗結果會產生驚喜。"

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    中微子是一種極其難以捉摸的基本粒子。從太陽內產生的大量中微子會以接近光的速度傳播飛向地球，並穿過我們的身體。由於中微子幾乎從未與構成我們身體的原子發生作用，因此我們不會有任何察覺。它們是名副其實的幽靈粒子。在很長的一段時間內，科學家都認為這些微小的粒子是無質量的。○ 宇宙中包含著大量的中微子。它們沒有電荷，所以不會被自然界中的其他帶電粒子吸引或排斥。
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