每秒有上萬億個(gè)中微子穿透身體，頂尖學(xué)者滬上揭秘神秘中微子

2019-01-14 17:00:37來源：澎湃新聞

知道中微子嗎?

中微子是一種不帶電、質(zhì)量極其微小的基本粒子，占構(gòu)成物質(zhì)世界的已知的12種基本粒子的四分之一。中微子無處不在，每秒鐘就有上萬億個(gè)中微子自由穿透我們的身體;商用核電站在發(fā)電的同時(shí)，每秒釋放出大約萬億億個(gè)中微子。

江門中微子實(shí)驗(yàn)是目前中國(guó)主導(dǎo)下的大型國(guó)際科學(xué)合作項(xiàng)目。1月14日上午，第13屆江門中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作大會(huì)在上海交通大學(xué)閔行校區(qū)開幕，共有來自16個(gè)國(guó)家和地區(qū)、五十多個(gè)高校與科研院所近三百位科研人員參會(huì)。

本次會(huì)議是江門中微子實(shí)驗(yàn)從五年的籌備和基建工作過渡到探測(cè)器安裝、整合的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中不同子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)接口細(xì)節(jié)要求非常嚴(yán)苛。各國(guó)科學(xué)家們將對(duì)各子系統(tǒng)的準(zhǔn)備情況和接口設(shè)計(jì)開展嚴(yán)格的內(nèi)部評(píng)審，逐一評(píng)估是否可以滿足實(shí)驗(yàn)的科學(xué)需求，并確定未來各國(guó)研究單位的任務(wù)和時(shí)間表。

中微子有許多未解之謎

中微子在微觀粒子物理和宏觀宇宙起源及演化中扮演著極為重要的角色。然而由于中微子僅僅參與非常微弱的弱相互作用，難以被察覺到，除非通過超大體積和超級(jí)靈敏的粒子探測(cè)器。

多年來，中微子被認(rèn)為是和光子一樣沒有質(zhì)量的粒子。然而自1998年起，中微子被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)特殊的“脾性”，那就是它可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，科學(xué)家把這稱作為“中微子振蕩”，這個(gè)“脾性”也揭示了中微子一定具有微小的質(zhì)量。這個(gè)突破性成果獲得了2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)于2012年發(fā)現(xiàn)第三種全新的中微子振蕩模式，完善了對(duì)三類中微子相互轉(zhuǎn)變的理解，因此獲得了2015國(guó)際基礎(chǔ)科學(xué)“突破”獎(jiǎng)(Breakthrough Prize)和2016年國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

盡管如此，中微子身上還存在著許多未解之謎。比如，三種中微子的質(zhì)量誰最重、誰最輕(質(zhì)量順序)?中微子到底有多輕?它們是不是自己的反粒子?……以上這些問題都是國(guó)際上密切關(guān)注的研究前沿。

此外，宇宙中劇烈的天體活動(dòng)如超新星爆發(fā)等會(huì)產(chǎn)生大量的中微子，近年來國(guó)際上通過中微子研究天體物理過程的中微子天文學(xué)已經(jīng)成為了一門前沿的交叉學(xué)科。中微子可輕松穿透宇宙中致密的天體環(huán)境，因此是揭秘超高能宇宙射線起源的理想探針。

去年，位于南極的冰立方中微子實(shí)驗(yàn)(IceCube)就首次發(fā)現(xiàn)來自于獵戶座40億光年以外的“耀變體”中微子，證明了中心有超級(jí)黑洞的活動(dòng)星系核確實(shí)可以加速宇宙射線到至少幾萬萬億電子伏特，比目前人類實(shí)現(xiàn)的最強(qiáng)大的加速器高幾千倍。該發(fā)現(xiàn)被《科學(xué)》雜志遴選為2018年國(guó)際最重大科學(xué)突破之一。

有望首次測(cè)定中微子質(zhì)量順序

中科院高能物理研究所牽頭的江門中微子實(shí)驗(yàn)位于廣東江門市開平附近埋深700米的地下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)的核心是一個(gè)直徑35米、重2萬噸，具有超高純凈度和國(guó)際最好能量精度的液體閃爍體中微子探測(cè)器。

江門中微子實(shí)驗(yàn)站地理位置示意圖。本文圖均為上海交通大學(xué)供圖

江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器示意圖。

通過測(cè)量來自廣東陽(yáng)江和臺(tái)山核電站的中微子，實(shí)驗(yàn)可以來測(cè)定中微子質(zhì)量順序、精確測(cè)量中微子振蕩，同時(shí)開展對(duì)超新星中微子、大氣中微子、太陽(yáng)中微子、地球中微子、惰性中微子、核子衰變、暗物質(zhì)間接探測(cè)等前沿方向的研究。江門中微子實(shí)驗(yàn)的建設(shè)預(yù)計(jì)2021年全面完成，運(yùn)行周期達(dá)20年以上。

江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)言人、2015年基礎(chǔ)科學(xué)突破獎(jiǎng)得主、中科院高能所所長(zhǎng)王貽芳院士表示，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行后，能夠回答一系列重大科學(xué)問題，如中微子的質(zhì)量順序，超新星爆發(fā)機(jī)制等，不僅能對(duì)理解微觀的粒子物理規(guī)律做出重大貢獻(xiàn)，也將對(duì)宇宙學(xué)、天體物理、乃至地球物理做出重大貢獻(xiàn)。

項(xiàng)目副發(fā)言人之一、來自于意大利國(guó)家核科學(xué)研究所的資深研究員吉爾切諾?拉努奇(Gioacchino Ranucci)表示，在世界幾個(gè)最大規(guī)模的中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中(JUNO、美國(guó)的DUNE、日本的HyperK等)，江門中微子實(shí)驗(yàn)將有望首次測(cè)定中微子質(zhì)量順序，并且對(duì)三類中微子振蕩參數(shù)的完備性測(cè)量到前所未有的精度(1%)。合作組將液體閃爍體這個(gè)核心技術(shù)推進(jìn)到前所未有的成熟度，未來10年將在基本粒子和天體物理領(lǐng)域取得一系列結(jié)果，成為國(guó)際中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的明星。

交大團(tuán)隊(duì)十年前加入大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

上海交通大學(xué)非常重視對(duì)國(guó)際重大科學(xué)前沿問題的研究。

上海交通大學(xué)于2009年成立了聚焦科學(xué)最前沿問題的粒子物理與宇宙學(xué)研究所，開展了中微子、暗物質(zhì)和宇宙的起源和演化等多方面的研究。在實(shí)驗(yàn)方向上，交大劉江來教授團(tuán)隊(duì)自2009年起加入大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，是大亞灣實(shí)驗(yàn)成果的重要貢獻(xiàn)者。目前，劉江來作為江門中微子實(shí)驗(yàn)合作組執(zhí)行委員會(huì)成員之一，承擔(dān)了研制中心探測(cè)器刻度系統(tǒng)的課題。

去年，交大引進(jìn)了南極“冰立方”合作組的徐東蓮副教授，她長(zhǎng)期致力于尋找高能天體陶中微子和高能中微子瞬變?cè)?，在加入江門中微子實(shí)驗(yàn)合作組后計(jì)劃開展中微子天文學(xué)方面的研究，進(jìn)一步拓寬實(shí)驗(yàn)的科學(xué)潛力。

大會(huì)之后，江門中微子實(shí)驗(yàn)首屆國(guó)際科學(xué)咨詢委員會(huì)會(huì)議也將于1月19-20日在上海召開，屆時(shí)來自日本東京大學(xué)、美國(guó)杜克大學(xué)、意大利SISSA研究所、德國(guó)慕尼黑工大、俄羅斯杜布納聯(lián)合核子研究所等世界頂尖學(xué)者們將聽取各個(gè)課題負(fù)責(zé)人的報(bào)告，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的科學(xué)和實(shí)驗(yàn)方面提出咨詢意見。

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