中国“幽灵粒子”探测器或率先解决宇宙之谜

在中国东南部的开平市，连绵青山下的700米处，工程人员正在抓紧建设一个直径35米的球形探测器，该探测器将以超高精度探测中微子这种“幽灵般”的亚原子粒子。江门中微子实验基地（JUNO）的现场经理、中国科学院高能物理研究所物理学家衡月昆表示，如果一切顺利，造价3.76亿美元的江门地下中微子实验基地将于年底前开始探测。

这将使之成为全球目前最新在建的几个中微子探测器中首个正式“开工”的探测器。另外两个在建的探测器位于日本和美国，将分别于2027年和2031年开始采集数据。

JUNO的主要目标是确定质量最大和最小的中微子，这是物理学中最大的待解谜题之一。回答这个问题或让物理学家理解中微子到底是什么，以及为何它们的质量如此之小。为此，JUNO研究人员的一个目标是测量来自两个核电站的中微子——这两个核电站各距离该探测器50多公里。JUNO的另一个目标是研究其他来源的中微子流，包括来自太阳、大气层、爆炸恒星和地球内部放射性自然衰变过程的中微子。

3月7日，实验站的研究人员开始向缩小版的探测器注入液体闪烁体——液体闪烁体中混合了溶剂和有机化学物质，当有中微子穿过时会发光。这个模型将测试液体闪烁体的纯净度是否足以帮助研究人员回答质量排序问题。

JUNO的方法与其他在建的探测器不同。日本在建的“顶级神冈”（Hyper-Kamiokande）探测器将使用纯净水作为中微子探测介质，而美国的“深地下中微子实验”（Deep Underground Neutrino Experiment）将使用液氩测量这种“神出鬼没”的粒子，美国实验项目的共同发言人、布鲁克海文国家实验室物理学家Mary Bishai说道。这两个未来的探测器都将测量从邻近粒子加速器发出而不是核反应堆发出的中微子。

就像用不同波长观测宇宙的望远镜一样，各个中微子探测器用不同技术来观测不同来源（如太阳和核电站）的中微子，研究人员就能更好地了解中微子的特性，以及中微子在宇宙中的作用，Bishai说：“这是种独特的方式，来确保我们的信息是一致。”

这种液体闪烁体只能含有微量的铀和钍——这些放射性元素衰变时如果碰巧遇到其他信号就会模拟中微子事件，破坏实验结果。如果这些元素的含量过高，就很难达到回答质量排序问题所需的测量灵敏度，JUNO团队成员、意大利帕多瓦大学的物理学家Alberto Garfagnini说。因此，团队必须先在缩小版的探测器中测试液体闪烁体的放射性纯度，才能注入旁边名为OSIRIS的JUNO主探测器。这一步不能出错，因为一旦JUNO里注满2万吨闪烁体后就不能重头再来了。Garfagnini说：“闪烁体必须一开始就很纯。”

光电倍增管将探测中微子与物质相互作用时发出的能量闪光。来源：中国科学院高能物理研究所

幽灵粒子

观测中微子听起来挺简单，毕竟它们是宇宙中含量最丰富的带质量粒子，每一秒地球上每立方厘米内都有数十亿个中微子穿过。但它们的特性仍不为所知，因为大部分中微子在穿过宇宙时几乎不与任何物质作用，所以直接探测非常难。不过，中微子或许暗藏着宇宙演化的线索，Garfagnini说：“它们是宇宙学的一个重要组成。”

物理学家已知中微子有三种“味”（flavours）：电子、μ子和τ子（分别以它们伴随产生的基本粒子命名）。20多年前，日本的“超级神冈”（Super-Kamiokande）实验和加拿大的萨德伯利中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory）发现，中微子移动时会从一种味切换成另一种味^[1，2]，而物理学家只能用中微子有质量来解释这种现象。2012年，位于中国深圳近郊的大亚湾反应堆中微子实验精确测量到了描述中微子在不同味之间切换速度的一个参数^[3]。

中微子有三个质量本征态——ν₁、ν₂、ν₃——每个味都混合了这三种态。物理学家已经推导出ν₂质量比ν₁稍大，并且ν₃和ν₁、ν₂的差异较大。但他们还没有搞清楚ν₃究竟是比另外两个更重还是更轻。这个质量排序的问题一直困扰着物理学界，因为它要求探测器离我们很了解的中微子源足够近，而且探测器要更大、更灵敏，Bishai说：“你必须在那个甜蜜点上，才能观测到你想观测的效应。”

主探测器表面有4万多个探测中微子的光电倍增管。来源：中国科学院高能物理研究所

巨型球体

JUNO位于一座花岗岩山丘下，这个山丘能屏蔽宇宙射线——来自宇宙的带电粒子，能淹没微弱的中微子信号。每天，穿着荧光背心的研究人员和工程人员都要乘坐15分钟的轨道车，沿1300米长的斜井隧道深入地下，在一个温控的原始岩洞中建造这个探测器。这个已完工2/3的丙烯酸球体很快将淹没入3.5万吨的超纯净水中，这能进一步帮探测器挡掉背景辐射。一旦液体闪烁体通过了放射性纯度测试，就将注入主探测器。衡月昆说，整个过程需要6个月。

保护好JUNO的灵敏度并不容易。2015年开建时，团队曾希望能在3年内完工，但抽排大量地下水的任务出现了延期。衡月昆说：“水成了个大问题。”为此，团队安装了一套能每小时从蛇形地下隧道抽出500立方米水的系统。为了控制氡的含量——氡是花岗岩等岩石天然释放的放射性气体，会干扰灵敏度很高的中微子实验——这个巨大的设施到处都是嗡嗡的圆柱形风扇。

探测器选址难就难在地面上。JUNO坐落于两个核电站之间，距离每个核电站53公里，两个核电站将为探测器稳定提供电子反中微子——电子反中微子和中微子的质量一样。衡月昆说，两个核电站产生的这些粒子的数量足够多，可以达到质量排序需要的测量精度。

中微子无法被直接探测到，为了确定它们的质量，物理学家只能测量中微子很偶尔与物质相互作用下产生的其他粒子的能量。在JUNO这里，当一个电子反中微子在液体闪烁体中遇到一个质子时，这种相互作用就会产生一个正电子和一个中子，这个过程名为反β衰变。来自正电子的能量会产生闪光，而中子被质子捕获时会产生另一束光。这些闪光信号——相隔200微秒——将被球体表面的4万多个球形光电倍增管探测到。研究人员能通过这些闪光的时间差把中微子和混乱的背景信号区分开来，Garfagnini说，“这是很明确的特征。”团队希望能在接下来的6年里探测到10万个中微子。

它的规模、屏蔽环境，以及靠近核电站的选址，将使它成为全世界最灵敏的中微子探测器之一，澳大利亚墨尔本大学物理学家Geoffrey Taylor说，这让它有很大机会在其他实验站运行前解决中微子的质量排序问题，“现在看来它要赢了。”

参考文献：

1.Fukuda， Y. et al. Phys. Rev. Lett. 81， 1562–1567 (1998).

2.Ahmad， Q. R. et al. Phys. Rev. Lett. 87， 071301 (2001).

3.An， F. P. et al. Phys. Rev. Lett. 108， 17803 (2012).

原文以China’s giant underground neutrino lab prepares to probe cosmic mysteries标题发表在2024年3月15日《自然》的新闻版块上

本文来自微信公众号：自然系列 （ID：nature-portfolio），作者：Gemma Conroy