日本“顶级神冈”中微子探测器项目已正式启动

来源:人民网-人民日报 2020-04-21 09:35:14

日本“顶级神冈”中微子探测器项目已正式启动,计划于2027年开始收集数据。该项目由日本主导、英国和加拿大等国参与,目的是阐明物质的起源及基本粒子的“大统一理论”,揭开宇宙起源之谜。

中微子是宇宙中数量最多的基本粒子之一。基本粒子是已知的最小粒子,它们不能像原子那样被分成更小的粒子,是构造宇宙中一切的基本元素。而中微子又是最轻的物质粒子,迄今还未能测出它的确切质量,但至少比电子还要轻100万倍。它们无处不在,如太阳发光、核反应堆发电、岩石的天然放射性衰变等核物理过程中都会产生,就连我们每个人也会因体内的钾—40衰变而每天发射约4亿个中微子。

中微子的最大特点就是几乎不与任何物质反应。不管是人体还是地球,在它看来,都是极为空旷、可以自由穿梭的空间。我们感觉不到它的存在,科学上探测也极为困难。因此,中微子的发现和研究过程,饱含着几代科研人员的心血。

1930年,奥地利科学家泡利为了解释原子核衰变中能量似乎不守恒的现象,预言了中微子的存在,认为就是这种“永远找不到的粒子”偷偷带走了能量。经过20多年的寻找,美国科学家科万和莱因斯终于在核反应堆旁探测到中微子,证明了它的存在。莱因斯因此获得了1995年诺贝尔物理学奖。

1968年,美国科学家戴维斯在地下1500米深的废弃金矿中进行实验,首次探测到了来自太阳的中微子,证实太阳无穷无尽的能量来自氢核聚变。1987年,日本科学家小柴昌俊在第一代神冈实验中,探测到了来自超新星的中微子。他们二人因此都获得了2002年诺贝尔物理学奖。此后,戴维斯进一步提高测量精度,却发现太阳中微子的数量比理论预言的要少得多,被称为“太阳中微子失踪之谜”。此后,小柴昌俊的学生梶田隆章发现,宇宙射线在大气层中产生的中微子也比预期少,称为“大气中微子丢失之谜”。

中微子为什么比预计的少?1998年,梶田隆章在升级后的第二代神冈实验中发现,大气中微子比预期少,是因为在飞行过程中自发变成了其他种类的中微子,这一现象就是中微子振荡。他也因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。

中微子振荡现象证明了中微子有质量,尽管质量极其小,但会影响宇宙的起源和演化。根据已知的物理规律,在宇宙早期,正反物质应该成对产生,数量是一样的。但在现在的宇宙中,并没有发现大量反物质存在的迹象。为什么宇宙只由正物质构成?反物质到哪里去了?这是宇宙起源必须回答的关键问题。中微子振荡会带来一个意外的结果,即正反粒子的行为可以不一样,很有可能造成反物质消失。因此,全面了解中微子振荡,是破解“反物质消失之谜”的重要一环。

由于中微子难以探测,解决这些谜团需要巨大的探测器,获取更精确的数据。日本前两代神冈实验坚持自己的优势方向,掌握核心技术,持之以恒地探索,取得了巨大突破。此次启动的第三代实验“顶级神冈”将建造一个26万吨的水探测器,造价约8亿美元。此前,中国的江门中微子实验和美国的深层地下中微子实验也已开始建设。三个实验间既竞争又互补,联合分析能显著提高发现能力。新一代的中微子实验,也许有一天可以揭开宇宙起源的谜题。

(曹俊)(作者为中国科学院高能物理研究所副所长)

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