宇宙中最小“幽靈粒子”質(zhì)量首獲上限！快抓住它
照片顯示的是一個(gè)圓柱形反中微子探測(cè)器的內(nèi)部。圖片來(lái)源：美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站
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宇宙間的“隱身人”
中微子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一，廣泛存在于宇宙中。它個(gè)頭小，如同鬼魅一般，基本不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，因而難以捕捉和探測(cè)，被稱為宇宙間的“隱身人”。
正是因?yàn)槿绱?，雖然每秒鐘都會(huì)有來(lái)自太陽(yáng)的數(shù)以千億計(jì)的中微子穿過(guò)我們的身體，但我們對(duì)此毫無(wú)知覺。
中微子總共有三種類型：陶（τ）子中微子、繆（μ）子中微子和電子中微子。理論推測(cè)，它們會(huì)隨著周圍環(huán)境或由自身觸發(fā)在這三種類型間不斷轉(zhuǎn)化，這也被稱為“中微子震蕩”。
50年過(guò)去，
明知“分量”很重，
卻不知“質(zhì)量”幾何
盡管經(jīng)過(guò)50多年的追尋，科學(xué)家們?nèi)詫?duì)它們所知甚少，甚至不知道它們的質(zhì)量。
但科學(xué)家們知道，中微子的行為會(huì)改變整個(gè)星系和其他巨大天體結(jié)構(gòu)的行為，所以，在即將發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上的一篇新論文中，研究人員利用這一事實(shí)，從對(duì)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的精確測(cè)量中，反算出了最輕中微子的質(zhì)量（有三個(gè)中微子質(zhì)量）。
研究人員從重子振蕩光譜調(diào)查中獲取了約110萬(wàn)個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他宇宙學(xué)信息和地球上中微子實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果，然后將所有這些信息輸入一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)內(nèi)。
研究合著者、倫敦大學(xué)學(xué)院天體物理學(xué)博士生安德烈·庫(kù)丘在一份聲明中說(shuō)：“超級(jí)計(jì)算機(jī)耗時(shí)50多萬(wàn)小時(shí)來(lái)處理數(shù)據(jù)，這個(gè)項(xiàng)目突破了宇宙學(xué)大數(shù)據(jù)分析的極限?！?/p>
最新研究并沒有為最輕中微子的質(zhì)量提供固定數(shù)值，但它縮小了范圍：這一中微子的質(zhì)量不超過(guò)0.086電子伏特（eV），約為單個(gè)電子質(zhì)量的600萬(wàn)分之一。
據(jù)物理學(xué)家所知，三種中微子中至少有兩種有質(zhì)量，且它們的質(zhì)量之間存在著某種關(guān)系。最新研究還為三種中微子的混合質(zhì)量設(shè)定了上限：0.26eV。
研究指出，物理學(xué)家可能永遠(yuǎn)無(wú)法精確地確定這三種中微子的質(zhì)量，但他們可以不斷接近。隨著地球上的實(shí)驗(yàn)和太空測(cè)量的改進(jìn)，中微子的質(zhì)量限制將不斷縮小，從而更好地解釋整個(gè)宇宙是如何組合在一起的。
輕如塵、快似光，
中美日“三劍客”追你沒商量
輕如塵、快似光，能夠輕易穿越各種物體，還能時(shí)不時(shí)“變身”——中微子無(wú)疑是基本粒子世界里的“隱世高手”；此外，它們或許還背負(fù)著有關(guān)宇宙大爆炸的絕世秘密。正因如此，任何關(guān)于它們的線索都可謂價(jià)值連城。
有鑒于此，科學(xué)家們新建了一些實(shí)驗(yàn)裝置，希望“掀起它的蓋頭來(lái)”。
中國(guó)科學(xué)院高能物理學(xué)家所曹俊研究員說(shuō)：“中微子探測(cè)器需要一個(gè)極干凈的環(huán)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(lái)阻擋來(lái)自巖石、空氣等的天然放射性?！?/p>
據(jù)共同社等日本媒體8月21日?qǐng)?bào)道，日本文部科學(xué)省將建設(shè)探測(cè)中微子的下一代“頂級(jí)神岡”探測(cè)器，這一中微子探測(cè)器計(jì)劃于2025年后投入使用，旨在揭示宇宙起源和物質(zhì)誕生等謎團(tuán)。
迄今，人類對(duì)于中微子的研究已經(jīng)超過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，但對(duì)于中微子的性質(zhì)至今仍然沒有詳細(xì)的了解，甚至連它的確切質(zhì)量也不清楚。
曹俊介紹，除了“頂級(jí)神岡”，中國(guó)江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置（JUNO）、以及“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”（DUNE）也分別將于2022年和2026年“上崗”，這三大中微子實(shí)驗(yàn)，有望為我們揭開宇宙中最難以捉摸的幽靈粒子的“神秘面紗”。
1、中國(guó)：江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置（JUNO）
俗話說(shuō)，“非常之人，需用非常之法”，即將上線的“三劍客”都隱藏在深深的地下。
打頭陣的是位于中國(guó)廣東的正在建設(shè)的江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置（JUNO），它是中國(guó)前所未有的最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置。與目前最好的國(guó)際同類裝置相比，它的規(guī)模大20倍，精度提高近一倍。
中微子探測(cè)器示意圖：球形的中微子探測(cè)器置于水池中心，上下與四周均被2米以上的水包圍以屏蔽本底，在水池頂部采用徑跡探測(cè)器作為反符合探測(cè)器，鋼網(wǎng)架上安放光電倍增管以探測(cè)并收集中微子事例。圖片來(lái)源：江門中微子實(shí)驗(yàn)官網(wǎng)
據(jù)曹俊介紹，江門中微子實(shí)驗(yàn)2015年開始建設(shè)，計(jì)劃2021年底完成探測(cè)器建造。這一實(shí)驗(yàn)裝置包括位于地下700米的地下洞室、大型水池、一個(gè)裝滿2萬(wàn)噸液體閃爍體和光電倍增管的中微子探測(cè)器以及少量配套的設(shè)施。
液體閃爍體是探測(cè)中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過(guò)探測(cè)器時(shí)，偶爾會(huì)在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出極其微弱的閃爍光，從而被光電倍增管探測(cè)到。
曹俊表示：“江門中微子實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)定中微子質(zhì)量順序、精確測(cè)量中微子混合參數(shù)，同時(shí)也將研究大氣中微子、太陽(yáng)中微子、超新星中微子、地球中微子等。測(cè)定中微子質(zhì)量順序，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)?！?/p>
2、美國(guó)：“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”（DUNE）
據(jù)美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站8月20日?qǐng)?bào)道，設(shè)在美國(guó)的“深部地下中微子實(shí)驗(yàn)”（DUNE）由兩部分組成，一部分位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，包括一個(gè)巨大的中微子槍，其會(huì)將質(zhì)子加速到接近光速，將其粉碎，在終端每秒射出數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子。
這些中微子將從費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室出發(fā)，沿直線前進(jìn)，直到它們撞上第二部分——約1300公里外、位于地下深處約1600米的桑福德地下研究設(shè)施，此處的探測(cè)器里約裝有40000噸液態(tài)氬。
據(jù)悉，DUNE實(shí)驗(yàn)室能夠更好地描述中微子震蕩的特性；此外，DUNE實(shí)驗(yàn)室還能探測(cè)到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。
DUNE被認(rèn)為是美國(guó)未來(lái)幾十年的“旗艦實(shí)驗(yàn)室”，來(lái)自多個(gè)國(guó)家的專家將對(duì)實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解中微子的“性格”。
3、日本：“頂級(jí)神岡”探測(cè)器（Hyper-K）
日本文部科學(xué)省8月21日確定了在岐阜縣飛騨市建設(shè)下一代中微子探測(cè)器—“頂級(jí)神岡”（Hyper-K）探測(cè)器的方針，這一探測(cè)器是日本現(xiàn)有“超級(jí)神岡”探測(cè)器的后繼設(shè)施。
超級(jí)神岡探測(cè)器
“超級(jí)神岡”位于一座山下1000米深處，其光傳感器浸沒于5萬(wàn)噸純水中。1998年，“超級(jí)神岡”提供了首個(gè)確鑿證據(jù)，證明中微子和反中微子可以在三種類型之間震蕩，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
而“頂級(jí)神岡”探測(cè)器將建于地下約650米處，主體設(shè)施為直徑74米、高約60米的圓柱狀水槽，其規(guī)模是“超級(jí)神岡”的5倍以上。水池壁上設(shè)置約4萬(wàn)個(gè)傳感器捕捉太空中飛來(lái)的中微子在水中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的微弱光。
“頂級(jí)神岡”將在2025年左右開始尋找自然界（比如核聚變和超新星）產(chǎn)生的中微子。由于設(shè)施巨大、傳感器性能高，“頂級(jí)神岡”不僅在探測(cè)超新星方面更高效，也有望揭示為什么宇宙主要由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成。
理論學(xué)家稱，理解這一點(diǎn)的關(guān)鍵是測(cè)量中微子和反中微子之間的不對(duì)稱性，特別是兩者在不同類型之間震蕩的速度差異?！俺?jí)神岡”已看到相關(guān)線索，“頂級(jí)神岡”應(yīng)能進(jìn)行更精確測(cè)量。
希望即將上線的這三大“劍客”能“醉里挑燈看劍”，讓中微子的“身世秘密”大白于天下。或許，在此過(guò)程中，會(huì)涌現(xiàn)多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，誰(shuí)知道呢？
注：本文轉(zhuǎn)載自科技日?qǐng)?bào)，經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。
