科技日報記者 劉霞
近日，英國科學(xué)家使用與整個宇宙結(jié)構(gòu)有關(guān)的數(shù)據(jù)，設(shè)定了宇宙間最小、最難研究組成部分之一——中微子家族中最輕成員的質(zhì)量：不超過0.086電子伏特（eV），約為單個電子質(zhì)量的600萬分之一。
宇宙間的“隱身人”
正是因為如此，雖然每秒鐘都會有來自太陽的數(shù)以千億計的中微子穿過我們的身體，但我們對此毫無知覺。
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，它們會隨著周圍環(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年過去，
明知“分量”很重，
卻不知“質(zhì)量”幾何
盡管經(jīng)過50多年的追尋，科學(xué)家們?nèi)詫λ鼈兯跎?，甚至不知道它們的質(zhì)量。
照片顯示的是一個圓柱形反中微子探測器的內(nèi)部。圖片來源：美國趣味科學(xué)網(wǎng)站
但科學(xué)家們知道，中微子的行為會改變整個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《物理評論快報》雜志上的一篇新論文中，研究人員利用這一事實，從對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的精確測量中，反算出了最輕中微子的質(zhì)量（有三個中微子質(zhì)量）。
研究人員從重子振蕩光譜調(diào)查中獲取了約110萬個星系的運動數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他宇宙學(xué)信息和地球上中微子實驗獲得的結(jié)果，然后將所有這些信息輸入一臺超級計算機內(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·庫丘在一份聲明中說：“超級計算機耗時50多萬小時來處理數(shù)據(jù)，這個項目突破了宇宙學(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0.086電子伏特（eV），約為單個電子質(zhì)量的600萬分之一。
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。隨著地球上的實驗和太空測量的改進(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，還能時不時“變身”——中微子無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值連城。
有鑒于此，科學(xué)家們新建了一些實驗裝置，希望“掀起它的蓋頭來”。
中國科學(xué)院高能物理學(xué)家所曹俊研究員說：“中微子探測器需要一個極干凈的環(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，用水來阻擋來自巖石、空氣等的天然放射性。”
據(jù)共同社等日本媒體8月21日報道，日本文部科學(xué)省將建設(shè)探測中微子的下一代“頂級神岡”探測器，這一中微子探測器計劃于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，人類對于中微子的研究已經(jīng)超過了半個世紀(jì)，但對于中微子的性質(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“頂級神岡”，中國江門中微子實驗裝置（JUNO）、以及“深部地下中微子實驗”（DUNE）也分別將于2022年和2026年“上崗”，這三大中微子實驗，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”。
俗話說，“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廣東的正在建設(shè)的江門中微子實驗裝置（JUNO），它是中國前所未有的最復(fù)雜的高能物理實驗裝置。與目前最好的國際同類裝置相比，它的規(guī)模大20倍，精度提高近一倍。
中微子探測器示意圖：球形的中微子探測器置于水池中心，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器作為反符合探測器，鋼網(wǎng)架上安放光電倍增管以探測并收集中微子事例。圖片來源：江門中微子實驗官網(wǎng)
據(jù)曹俊介紹，江門中微子實驗2015年開始建設(shè)，計劃2021年底完成探測器建造。這一實驗裝置包括位于地下700米的地下洞室、大型水池、一個裝滿2萬噸液體閃爍體和光電倍增管的中微子探測器以及少量配套的設(shè)施。
液體閃爍體是探測中微子的介質(zhì)。當(dāng)大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內(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到。
曹軍表示：“江門中微子實驗旨在測定中微子質(zhì)量順序、精確測量中微子混合參數(shù)，同時也將研究大氣中微子、太陽中微子、超新星中微子、地球中微子等。測定中微子質(zhì)量順序，不僅能對理解微觀的粒子物理規(guī)律做出重大貢獻(xiàn)，也將對宇宙學(xué)、天體物理、乃至地球物理做出重大貢獻(xiàn)?！?/p>
據(jù)美國趣味科學(xué)網(wǎng)站8月20日報道，設(shè)在美國的“深部地下中微子實驗”（DUNE）由兩部分組成，一部分位于費米實驗室，包括一個巨大的中微子槍，其會將質(zhì)子加速到接近光速，將其粉碎，在終端每秒射出數(shù)萬億個中微子。
這些中微子將從費米實驗室出發(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，此處的探測器里約裝有40000噸液態(tài)氬。
據(jù)悉，DUNE實驗室能夠更好地描述中微子震蕩的特性；此外，DUNE實驗室還能探測到銀河系和鄰近星系中超新星釋放的中微子等。
DUNE被認(rèn)為是美國未來幾十年的“旗艦實驗室”，來自多個國家的專家將對實驗室獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解中微子的“性格”。
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)下一代中微子探測器—“頂級神岡”（Hyper-K）探測器的方針，這一探測器是日本現(xiàn)有“超級神岡”探測器的后繼設(shè)施。
超級神岡探測器
“超級神岡”位于一座山下1000米深處，其光傳感器浸沒于5萬噸純水中。1998年，“超級神岡”提供了首個確鑿證據(jù)，證明中微子和反中微子可以在三種類型之間震蕩，項目負(fù)責(zé)人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學(xué)獎。
而“頂級神岡”探測器將建于地下約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“超級神岡”的5倍以上。水池壁上設(shè)置約4萬個傳感器捕捉太空中飛來的中微子在水中發(fā)生反應(yīng)后發(fā)出的微弱光。
“頂級神岡”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，“頂級神岡”不僅在探測超新星方面更高效，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，理解這一點的關(guān)鍵是測量中微子和反中微子之間的不對稱性，特別是兩者在不同類型之間震蕩的速度差異?！俺壣駥币芽吹较嚓P(guān)線索，“頂級神岡”應(yīng)能進(jìn)行更精確測量。
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?；蛟S，在此過程中，會涌現(xiàn)多個諾貝爾獎獲得者，誰知道呢？
來源：科技日報
