每時(shí)每刻，我們的身體都會(huì)被一種數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小粒子穿過(guò)，但我們完全不會(huì)受到影響，仿佛這些粒子根本就不存在一般。它就是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子之一：中微子。探測(cè)中微子需要專門的設(shè)備，在廣東江門，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置，正在緊張建設(shè)中，預(yù)計(jì)今年年底完成整個(gè)探測(cè)器的建設(shè)。這個(gè)神秘的實(shí)驗(yàn)室位于地下700米，是世界上最大的地下實(shí)驗(yàn)洞室。
江門中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器正在建設(shè)中
那什么是中微子？我們?yōu)槭裁匆綔y(cè)它？這個(gè)深埋地下700米的探測(cè)裝置到底長(zhǎng)什么樣呢？帶著這些問(wèn)題，我們一起走進(jìn)“神秘莫測(cè)”的中微子世界。什么是中微子？
從著名物理學(xué)家泡利1930年提出存在中微子的假說(shuō)算起，人類對(duì)中微子的研究已經(jīng)有90多年的歷史。若從1956 年人類第一次探測(cè)到中微子算起，人類對(duì)中微子的研究也有60多年的歷史了。
中微子是一種不帶電的基本粒子，有三種類型，即電子中微子、μ中微子和τ中微子，分別對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的輕子：電子、μ子（繆子）和τ子（陶子）。中微子質(zhì)量很小，只參與非常微弱的弱相互作用和引力相互作用，與物質(zhì)的相互作用極小，穿透能力極強(qiáng)。在我們閱讀這句話的一兩秒鐘，已經(jīng)有數(shù)億個(gè)中微子穿過(guò)我們的身體，但是我們并不會(huì)有任何感覺(jué)。這種幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生作用的特性，使得中微子探測(cè)非常困難。因此，在發(fā)現(xiàn)初期，中微子物理發(fā)展較為緩慢。中微子這么難探測(cè)，為什么我們還要費(fèi)盡心力去探測(cè)它呢？這是因?yàn)?/span>探測(cè)中微子可以幫助我們認(rèn)清物質(zhì)和宇宙的本源，同時(shí)還有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值。在宇宙學(xué)和天體物理研究上，由于中微子的強(qiáng)穿透性，地球上可以探測(cè)到來(lái)自遙遠(yuǎn)星體和宇宙大爆炸初期產(chǎn)生的中微子，可以將幾萬(wàn)光年以外星體的信息帶到地球，也可以將太陽(yáng)內(nèi)部的信息傳遞給人類，通過(guò)分析可以得到太陽(yáng)、超新星等天體乃至整個(gè)宇宙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化的物理規(guī)律。
在地球科學(xué)上，由于中微子與物質(zhì)相互作用的截面會(huì)隨著中微子能量的提高而增大，利用高能加速器產(chǎn)生能量較高的中微子束定向照射地層，會(huì)產(chǎn)生局部震動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)深層地層的掃描和勘探，進(jìn)而獲知地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確數(shù)據(jù)和演化規(guī)律。如果對(duì)中微子穿透性強(qiáng)的性質(zhì)加以利用，那將是信息的絕佳載體，可以勝任全球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線直聯(lián)、完成恒星際或星系團(tuán)之間，以及地面和深海之間電磁波難以完成的通信和探測(cè)任務(wù)。
圖源：科學(xué)大院
如何探測(cè)中微子？
上文說(shuō)到中微子有三種類型，這三種類型的中微子，在一定條件下，會(huì)反復(fù)互相轉(zhuǎn)化，這個(gè)過(guò)程叫做“中微子振蕩”。探測(cè)中微子的一種思路，就是探測(cè)中微子振蕩。例如，大亞灣的中微子探測(cè)器就包括兩部分：用于探測(cè)核反應(yīng)堆放出的反電子中微子的中微子探測(cè)器和用于探測(cè)本底的μ子探測(cè)器。撤場(chǎng)前的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)站
圖源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所
在大亞灣的中微子探測(cè)器里，反電子中微子與探測(cè)器中摻釓（稀土元素）的液體閃爍體發(fā)生反β衰變反應(yīng)，產(chǎn)生正電子和中子：正電子在液體閃爍體中發(fā)生電離損失，很快與電子湮滅形成快信號(hào)，并幾乎帶走中微子的所有能量。中子在液體閃爍體內(nèi)慢化，經(jīng)過(guò)大概30毫秒的特征時(shí)間被釓俘獲，放出約 8 MeV的γ光子，稱為慢信號(hào)。通過(guò)對(duì)快慢信號(hào)進(jìn)行分析，就能夠?qū)χ形⒆舆M(jìn)行探測(cè)和分析。可能有人會(huì)問(wèn)，中微子探測(cè)器為什么要深埋在地下呢？這是為了屏蔽宇宙射線，讓探測(cè)結(jié)果更加精準(zhǔn)。江門中微子探測(cè)器在地下實(shí)驗(yàn)大廳內(nèi)44米深的水池中央，它由直徑41米的不銹鋼網(wǎng)殼、直徑35.4米的有機(jī)玻璃球、2萬(wàn)噸液體閃爍體、2萬(wàn)只20英寸光電倍增管、2.5萬(wàn)只3英寸光電倍增管等關(guān)鍵部件組成。江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意 整個(gè)探測(cè)器內(nèi)的物理過(guò)程事實(shí)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程。液體閃爍體的靶粒子——如快慢信號(hào)產(chǎn)生的γ光子——沉積的能量轉(zhuǎn)換成可見光光子，光電倍增管將可見光光子轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而被電子學(xué)系統(tǒng)記錄下來(lái)。液體閃爍體(簡(jiǎn)稱：液閃)在中微子實(shí)驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用，不僅得益于液閃的光產(chǎn)額高、衰減長(zhǎng)度長(zhǎng)、兼容性好，更因?yàn)樗哂辛己玫姆€(wěn)定性、低毒性、低成本以及不限探測(cè)器形狀和大小等優(yōu)點(diǎn)。目前使用的液閃探測(cè)器中，液閃通常為2組分或3組分的混合溶液，分別由溶劑，第1溶質(zhì)和第2溶質(zhì)組成。溶劑通常選用芳香族化合物，如甲苯，偏三甲苯，線性烷基苯等。溶質(zhì)的選擇也比較多樣化，可以根據(jù)不同溶質(zhì)的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行選擇。圖源：央視新聞
光電倍増管是一種真空光電器件，主要由光入射窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽(yáng)極組成。當(dāng)光照射光電倍增管陰極時(shí)，陰極向真空中激發(fā)出光電子（一次激發(fā)），這些光電子進(jìn)入倍增系統(tǒng)，由倍增電極激發(fā)的電子（二次激發(fā)）被下一倍增極的電場(chǎng)加速，飛向該極并撞擊在該極上再次激發(fā)出更多的電子，通過(guò)逐級(jí)的二次電子發(fā)射得到倍增放大，放大后的電子被陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。參考文獻(xiàn)8
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電子在光電倍增管里就像坐了多級(jí)火箭一樣，每過(guò)一層就放大一次，于是光電倍增管就能探測(cè)極為微弱的信號(hào)。
光電倍增管
總而言之，中微子的探測(cè)原理，就是中微子振蕩在液體閃爍體中發(fā)生反β衰變，釋放出微弱的光子，光子被2萬(wàn)多個(gè)光電倍增管捕捉，放大后的信號(hào)就是中微子探測(cè)的信號(hào)了。中微子振蕩物理研究在過(guò)去幾十年蓬勃發(fā)展，在三代中微子框架下，描述中微子的振蕩參數(shù)被反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)、太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)、加速器中微子實(shí)驗(yàn)、大氣中微子實(shí)驗(yàn)等各類實(shí)驗(yàn)所測(cè)量。但各代中微子的絕對(duì)質(zhì)量仍然未知，與中微子性質(zhì)相關(guān)的遺留問(wèn)題，還有中微子是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子, 以及是否存在惰性中微子等問(wèn)題將會(huì)是未來(lái)中微子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)到江門中微子實(shí)驗(yàn)，隨著各類中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè), 中微子也將在天文學(xué)、宇宙學(xué)、地球物理等領(lǐng)域有更多新發(fā)現(xiàn)與新進(jìn)展。
[1]張永鵬,楊長(zhǎng)根.從大亞灣到江門中微子實(shí)驗(yàn)[J].中國(guó)科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué),2021,51(09):6-17.[2]王絲雨,王雯宇,熊兆華.基本粒子和相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型簡(jiǎn)介[J].物理與工程,2019,29(06):12-24.[3]鐘鳴.中微子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展及其軍事應(yīng)用前景[J].國(guó)防科技,2019,40(01):5-9.[4]卞德龍,李靄瑩.江門中微子實(shí)驗(yàn)建設(shè)取得新進(jìn)展 地下700米建成“變形金剛塔”[J].中國(guó)產(chǎn)經(jīng),2022(11):93.[5]張高明,劉楓,宋濤等.江門中微子實(shí)驗(yàn)中心探測(cè)器主體結(jié)構(gòu)方案研究[J].鋼結(jié)構(gòu)(中英文),2020,35(09):1-9.[6]鐘瑋麗,楊長(zhǎng)根.談?wù)劥髞啚持形⒆訉?shí)驗(yàn)的探測(cè)器[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2012,24(03):12-15.[7]李新穎,喻純旭.液體閃爍體光電子產(chǎn)額的測(cè)量[J].南開大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,51(06):24-27.[8]寧悅悅,董天豪,王潔.光電倍增管的特性研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2021,34(04):43-46.作者：郭瑋宏，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)博士，高級(jí)工程師
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