中微子“三劍客” 追尋粒子世界的“隱世高手”

輕如塵、快似光，能夠輕易穿過各種物體，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是價值連城。

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，甚至連其確切的質量也不清楚。為此，科學家們新建了一些實驗裝置，希望能“掀起它的蓋頭來”。

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。位于廣東的正在建設的江門中微子實驗裝置是中國前所未有的最復雜的高能物理實驗裝置，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。

江門中微子實驗裝置于2015年開始建設，計劃在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。

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于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

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，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——位于地下深處約一千六百米的桑福德地下研究設施，此處的探測器里裝有約四萬噸液態氬。

據悉，深部地下中微子實驗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。計劃于2026年“上崗”的深部地下中微子實驗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其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

日前，日本文部科學省建設的探測中微子的下一代“頂級神岡”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，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。

即將上崗的這三大中微子實驗“劍客”有望為人們揭開宇宙中最難以捉摸的幽靈粒子的“神秘面紗”。而在此過程中，又會涌現多少個諾貝爾獎獲得者呢？