捕捉“幽灵粒子”:中国的地下实验,能否洞悉宇宙历史

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捕捉“幽灵粒子”:中国的地下实验,能否洞悉宇宙历史

位于中国广东省的江门中微子实验(JUNO)是目前世界上最强大的中微子实验之一。这个将于2022年或2023年开始运行的地下装置,将通过对多种来源的中微子的检测,解答一系列基本问题:3种已知中微子的质量谁大谁小?宇宙中中微子的总质量是多少,它们如何影响宇宙形成和星系分布?地球内部还有多少化学能量在驱动地球运转?

宇宙线中电子中微子和μ中微子,它们和τ中微子之间可以相互转换。图片来源:IceCube/NASA

中微子是亚原子粒子家族中的奇葩。它们无处不在,从太阳、深空和地球涌入,飞快地穿过我们的身体,每秒达上万亿个。这些粒子是如此微小,以至于它们很少与任何东西发生相互作用,这使得它们极其难以捉摸,难以研究。此外,中微子有不同的类型,或者说味道,以接近光速飞行,并且可以在飞行中从一种类型转换成另一种类型。科学家们相信,这些奇怪的行为可能会带来启示,洞察宇宙的历史和物理学的未来。

经过近6年开挖,在香港以西约150公里,一个巨大的中微子实验室正在连绵起伏的山丘中成形。江门中微子实验(JUNO)将成为世界上最强大的中微子实验之一,与日本的“顶级神冈”实验(Hyper-K)和美国的“沙丘中微子实验”(DUNE)齐名。利用附近的两座核电站作为中微子源,江门实验的目标是更多地了解这些粒子,以回答一个基本问题:三种已知中微子的质量谁大谁小?尽管研究人员知道这些粒子具有微小的质量,但并不知道其确切大小。现有的证据表明,其中两种味道的中微子质量比较接近,第三种则不同。但科学家们不知道第三种类型是比其他两种重,还是比他们轻。前一种情况被称为 “正质量顺序”,后一种则被称为 “倒质量顺序”。

江门中微子实验的建设位点。

费米国家加速器实验室的理论物理学家约瑟夫·利肯(Joseph Lykken)说,中微子质量顺序是研究人员需要确定的一个关键参数。“事实上,很多其它问题都取决于这个问题的答案。”他补充说。例如,这个答案可以帮助科学家更好地估计宇宙中中微子的总质量,并确定它们是如何影响宇宙形成和星系分布的。尽管中微子是所有已知物质粒子中最轻的一种,但宇宙中的中微子数量如此之多,因此它们一定对普通物质的分布产生了很大影响。理解中微子的质量顺序,也可以帮助解释为什么中微子有质量,这是一个与早前的预期相矛盾的现象。

江门中微子实验于2008年提出,如今有超过650名科学家在为其工作,其中近一半是中国以外的科学家。今年底或2021年初,研究人员将开始组装13层楼高的球形探测器。探测器将被4.3万个用来探测光的光电管覆盖,并灌满2万吨专门配制的液体。在地下700米处,电子型反中微子(核反应堆产生的中微子类型)以微乎其微的几率撞上质子,并在液体中引发反应,从而产生相隔不到一毫秒的两道闪光。加州大学尔湾分校的粒子物理学家胡安·佩德罗·奥乔亚·里克斯(Juan Pedro Ochoa-Ricoux)说:“这个小小的‘巧合’就被看成是一个反应堆中微子信号。”他是江门实验两个光电倍增管系统之一的共同领导者。

中央探测器的概念图像,由亚克力球体和不锈钢桁架组成。

当中微子从几十公里外的核电站到达探测器时,只有大约30%会保持原来的身份,其余的中微子将转换为其他类型。据江门中微子实验副发言人、来自该项目牵头机构中国科学院高能物理研究所的曹俊介绍,观测站将能够非常精确地测量这一比例。

开始运行后,江门实验预计每天能看到大约60个这样的信号。然而,要对质量顺序问题做出一个令人信服的统计学解答,科学家们需要10万个信号——这意味着实验必须运行数年才能得到答案。与此同时,江门实验将探测和研究其他来源的中微子,包括每天10到1000个来自太阳的中微子,以及当一颗超新星在离地球一定距离处爆炸时突然涌现的数千个中微子。

江门中微子实验还可以捕捉到来自地下的,由铀238和钍232等放射性元素自然衰变产生的所谓地球中微子。马里兰大学的地质学家威廉·麦克唐纳(William McDonough)说,到目前为止,研究地球中微子是了解地球内部还有多少化学能量来驱动我们的星球的唯一有效方法,他从实验初期就参与了江门实验。“江门实验是这方面的游戏规则改变者。”他说。日本、欧洲和加拿大现有的所有探测器加起来每年能看到大约20个地球中微子,而将来江门实验每年能探测到400多个。

江门中微子实验发言人、高能所所长王贻芳说,现在实验正在处理地下渗水问题,这一问题已使建设进度推迟了两年。工程师们仍需要每天抽出1.2万吨地下水,但水位已经明显下降了。在建设地下实验室时,遇到水淹问题并不罕见——加拿大安大略省的萨德伯里中微子观测站(SNO)也遇到了这个问题。王贻芳相信,这个问题会在建设完成前得到解决。

王贻芳说,江门实验应该在2022年底或2023年初开始运行。到本世纪20年代末,美国沙丘中微子实验和日本顶级神冈实验也将加入这一行列。利用加速器产生的中微子,沙丘实验将能够以最高精度测量中微子质量顺序。它还将研究一个名为CP破坏的关键参数,这是一个衡量中微子与其反粒子行为差异的物理量,可以揭示中微子是否是宇宙主要由正物质构成的部分原因。“江门实验在中微子质量顺序上的结果,将帮助沙丘实验对CP破坏进行最有效的发现和测量。”利肯说。更早的实验,以及其他正在建立的中微子观测站,也可能揭示一些科学家们没有预料到的东西。中微子研究的历史表明,这些粒子经常表现得出乎意料,利肯补充道:“我觉得综合这些实验结果会产生惊喜。”

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