科技日報記者 劉霞
近日，英國科學家使用與整個宇宙結構有關的數據，設定了宇宙間最小、最難研究組成部分之一——中微子家族中最輕成員的質量：不超過0.086電子伏特（eV），約為單個電子質量的600萬分之一。
宇宙間的“隱身人”
中微子是構成物質的基本粒子之一，廣泛存在於宇宙中。它個頭小，如同鬼魅一般，基本不與任何物質發生作用，因而難以捕捉和探測，被稱為宇宙間的“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，它們會隨著周圍環境或由自身觸發在這三種類型間不斷轉化，這也被稱為“中微子震蕩”。
50年過去，
明知“分量”很重，
卻不知“質量”幾何
儘管經過50多年的追尋，科學家們仍對它們所知甚少，甚至不知道它們的質量。
照片顯示的是一個圓柱形反中微子探測器的內部。圖片來源：美國趣味科學網站
但科學家們知道，中微子的行為會改變整個星系和其他巨大天體結構的行為，所以，在即將發表於《物理評論快報》雜誌上的一篇新論文中，研究人員利用這一事實，從對宇宙大尺度結構的精確測量中，反算出了最輕中微子的質量（有三個中微子質量）。
研究人員從重子振蕩光譜調查中獲取了約110萬個星系的運動數據，並結合其他宇宙學信息和地球上中微子實驗獲得的結果，然後將所有這些信息輸入一台超級計算機內。
研究合著者、倫敦大學學院天體物理學博士生安德烈·庫丘在一份聲明中說：“超級計算機耗時50多萬小時來處理數據，這個項目突破了宇宙學大數據分析的極限。”
最新研究並沒有為最輕中微子的質量提供固定數值，但它縮小了範圍：這一中微子的質量不超過0.086電子伏特（eV），約為單個電子質量的600萬分之一。
據物理學家所知，三種中微子中至少有兩種有質量，且它們的質量之間存在著某種關係。最新研究還為三種中微子的混合質量設定了上限：0.26eV。
研究指出，物理學家可能永遠無法精確地確定這三種中微子的質量，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，中微子的質量限制將不斷縮小，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裡的“隱世高手”；此外，它們或許還背負著有關宇宙大爆炸的絕世秘密。正因如此，任何關於它們的線索都可謂價值連城。
有鑒於此，科學家們新建了一些實驗裝置，希望“掀起它的蓋頭來”。
中國科學院高能物理學家所曹俊研究員說：“中微子探測器需要一個極乾淨的環境：需要放在很深的地下，用岩石阻擋宇宙射線；需要泡在水中，用水來阻擋來自岩石、空氣等的天然放射性。”
據共同社等日本媒體8月21日報導，日本文部科學省將建設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於2025年後投入使用，旨在揭示宇宙起源和物質誕生等謎團。
迄今，人類對於中微子的研究已經超過了半個世紀，但對於中微子的性質至今仍然沒有詳細的了解，甚至連它的確切質量也不清楚。
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）也分別將於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”。
1、中國：江門中微子實驗裝置（JUNO）
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。
打頭陣的是位於中國廣東的正在建設的江門中微子實驗裝置（JUNO），它是中國前所未有的最複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於水池中心，上下與四周均被2米以上的水包圍以屏蔽本底，在水池頂部採用徑跡探測器作為反符合探測器，鋼網架上安放光電倍增管以探測並收集中微子事例。圖片來源：江門中微子實驗官網
據曹俊介紹，江門中微子實驗2015年開始建設，計劃2021年底完成探測器建造。這一實驗裝置包括位於地下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施。
液體閃爍體是探測中微子的介質。當大量中微子穿過探測器時，偶爾會在探測器內發生反應，發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量順序、精確測量中微子混合參數，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。測定中微子質量順序，不僅能對理解微觀的粒子物理規律做出重大貢獻，也將對宇宙學、天體物理、乃至地球物理做出重大貢獻。”
2、美國：“深部地下中微子實驗”（DUNE）
據美國趣味科學網站8月20日報導，設在美國的“深部地下中微子實驗”（DUNE）由兩部分組成，一部分位於費米實驗室，包括一個巨大的中微子槍，其會將質子加速到接近光速，將其粉碎，在終端每秒射出數兆個中微子。
這些中微子將從費米實驗室出發，沿直線前進，直到它們撞上第二部分——約1300公里外、位於地下深處約1600米的桑福德地下研究設施，此處的探測器裡約裝有40000噸液態氬。
據悉，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據進行分析，進一步了解中微子的“性格”。
3、日本：“頂級神岡”探測器（Hyper-K）
日本文部科學省8月21日確定了在岐阜縣飛騨市建設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有“超級神岡”探測器的後繼設施。
超級神岡探測器
“超級神岡”位於一座山下1000米深處，其光傳感器浸沒於5萬噸純水中。1998年，“超級神岡”提供了首個確鑿證據，證明中微子和反中微子可以在三種類型之間震蕩，項目負責人梶田隆章因此榮膺2015年諾貝爾物理學獎。
而“頂級神岡”探測器將建於地下約650米處，主體設施為直徑74米、高約60米的圓柱狀水槽，其規模是“超級神岡”的5倍以上。水池壁上設置約4萬個傳感器捕捉太空中飛來的中微子在水中發生反應後發出的微弱光。
“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）產生的中微子。由於設施巨大、傳感器性能高，“頂級神岡”不僅在探測超新星方面更高效，也有望揭示為什麽宇宙主要由物質而非反物質構成。
理論學家稱，理解這一點的關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。“超級神岡”已看到相關線索，“頂級神岡”應能進行更精確測量。
希望即將上線的這三大“劍客”能“醉裡挑燈看劍”，讓中微子的“身世秘密”大白於天下。或許，在此過程中，會湧現多個諾貝爾獎獲得者，誰知道呢？
來源：科技日報
編輯：張爽（實習）
審核：朱麗
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