王善欽 吳雪峰

中微子十分神秘，不可捉摸。所以科學(xué)家花費(fèi)了許多心血制造了多種重要的中微子探測(cè)器，來捕捉各種各樣的中微子。目前已取得累累碩果。

神岡探測(cè)器：發(fā)現(xiàn)超新星中微子

神岡探測(cè)器 （Kamiokande） 的全稱是“神岡核衰變實(shí)驗(yàn)”，位于日本神岡町的茂住礦山地下914米的深處。

神岡探測(cè)器由東京大學(xué)宇宙線研究所負(fù)責(zé)，于1982年開始建設(shè)，1983年4月建成。整個(gè)探測(cè)器是一個(gè)高為16米、寬約15.6米的大水箱，里面有3000噸水。水箱內(nèi)壁安裝有大約1000個(gè)光電倍增管。探測(cè)器根據(jù)粒子的切倫科夫輻射探測(cè)中微子。

1987年，神岡探測(cè)器探測(cè)到銀河系外的一顆編號(hào)為SN 1987A的超新星發(fā)射出的中微子而揚(yáng)名世界。2002年，探測(cè)到太陽(yáng)中微子的戴維斯和神岡探測(cè)器的負(fù)責(zé)人之一的小柴昌俊共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

超級(jí)神岡探測(cè)器：發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩

1991年，神岡探測(cè)器開始升級(jí)，并于1996年完成升級(jí)。升級(jí)后的神岡探測(cè)器被稱為“超級(jí)神岡” （Super-Kamiokande，縮寫為Super K）。“超級(jí)神岡”探測(cè)器里蓄有5萬(wàn)噸純水，箱子內(nèi)壁安裝著大約1.3萬(wàn)個(gè)光電倍增管。

1998年，梶田隆章負(fù)責(zé)的小組利用超級(jí)神岡探測(cè)器收集到的數(shù)據(jù)，證明了大氣中微子出現(xiàn)振蕩。一部分謬中微子轉(zhuǎn)化為陶中微子（當(dāng)時(shí)還沒有探測(cè)到陶中微子），這說明中微子的靜止質(zhì)量并不為零。此前的模型都假設(shè)中微子和光子一樣，靜止質(zhì)量為零。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著此前的模型都需要修改。2015年，梶田隆章與麥克唐納共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

現(xiàn)在，“超級(jí)神岡”又在升級(jí)，預(yù)計(jì)將于2025年完成升級(jí)，成為“頂級(jí)神岡” （Hyper-Kamiokande，縮寫為Hyper K），里面的純凈水的質(zhì)量將增加到100萬(wàn)噸。

薩德伯里中微子天文臺(tái)：發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子振蕩

1968年，戴維斯的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)被探測(cè)到的太陽(yáng)中微子數(shù)目明顯低于理論計(jì)算值。此后有理論物理學(xué)家提出：這是因?yàn)殡娭形⒆拥囊徊糠衷谇巴厍虻耐局修D(zhuǎn)化為其他種類的中微子，而后者不能被當(dāng)時(shí)的探測(cè)器探測(cè)到。

為了探測(cè)到那些變“味”的太陽(yáng)中微子，物理學(xué)家們于1990年在加拿大薩德伯里地下2072米深處的一個(gè)廢棄的鎳礦中，開始建立一個(gè)中微子天文臺(tái)，即薩德伯里中微子天文臺(tái) （Sudbury Neutrino Observatory，縮寫為SNO） 。

SNO的核心是一個(gè)直徑12米的丙烯酸塑料容器，里面裝著1000噸重水作為介質(zhì)，外面安裝著9600個(gè)光電倍增管作為探測(cè)器。大量中微子穿過SNO時(shí)，其中的極少數(shù)中微子與重水的分子碰撞，會(huì)激發(fā)出帶電粒子。只要后者的速度超過了重水中的光速，就可以產(chǎn)生切倫科夫輻射。SNO于1999年5月建成并開始運(yùn)行，其實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人是麥克唐納。

2001年，麥克唐納負(fù)責(zé)的小組根據(jù)SNO中微子天文臺(tái)得到的數(shù)據(jù)，證明太陽(yáng)發(fā)出的電中微子有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹囍形⒆樱@是“中微子振蕩”的另一個(gè)模式。這個(gè)結(jié)果不僅證實(shí)了這類中微子振蕩的新模式，也證明了太陽(yáng)聚變理論的正確性，并解開了太陽(yáng)（電）中微子失蹤之謎。2002年，SNO測(cè)出3種中微子的流量強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)它們的總和與理論計(jì)算值一致，進(jìn)一步證實(shí)了中微子振蕩理論與太陽(yáng)聚變模型。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)：發(fā)現(xiàn)中微子最后一類振蕩模式

中微子振蕩有3種類型。電中微子與謬中微子之間的振蕩和謬中微子與陶中微子之間的振蕩這2類已經(jīng)分別被“超級(jí)神岡”和SNO確認(rèn)，但電中微子與陶中微子之間的振蕩卻長(zhǎng)期沒有得到確認(rèn)。

為了確認(rèn)中微子的第3種振蕩模式——電中微子與陶中微子之間的振蕩，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所于2003年建議在大亞灣核電站附近的山洞里建設(shè)中微子探測(cè)器。選擇在大亞灣建立中微子探測(cè)器，是因?yàn)榇髞啚澈穗娬局械暮朔磻?yīng)堆在工作過程中會(huì)釋放出大量電中微子，在附近建立起中微子探測(cè)器，是“變廢為寶”的舉措。這個(gè)項(xiàng)目于2007年開始建設(shè)，引起了國(guó)際上許多小組的合作興趣，很快就組成了一支由中國(guó)主導(dǎo)、國(guó)際多個(gè)小組參與的大型團(tuán)隊(duì)。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室有3個(gè)由水平隧道相連的實(shí)驗(yàn)廳：大亞灣近點(diǎn)、嶺澳近點(diǎn)與遠(yuǎn)點(diǎn)。每個(gè)廳里有2個(gè)圓柱形探測(cè)器，放在純凈水之中，水可以屏蔽掉一些背景干擾。每個(gè)探測(cè)器里有20噸閃爍液、約1000個(gè)光電倍增管。實(shí)驗(yàn)廳附近6個(gè)反應(yīng)堆產(chǎn)生的大量反電子中微子進(jìn)入探測(cè)器，會(huì)激發(fā)出切倫科夫輻射，使后者被光電倍增管探測(cè)到。2011年，這個(gè)實(shí)驗(yàn)開始運(yùn)行。

2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)以高度可靠的數(shù)據(jù)確認(rèn)了中微子振蕩的第3種振蕩模式——電中微子轉(zhuǎn)變?yōu)樘罩形⒆拥拇嬖?。這次實(shí)驗(yàn)還計(jì)算出了這類振蕩發(fā)生的幾率。這也是最后被發(fā)現(xiàn)的一種振蕩模式。2012年年底，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)獲得的成果被美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)為2012年度世界十大科學(xué)突破之一。

2015年11月9日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)與其他4個(gè)中微子研究團(tuán)隊(duì)以及它們的7個(gè)帶頭人獲得了2016年科學(xué)突破獎(jiǎng)。其中，大亞灣實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的2個(gè)帶頭人是中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的王貽芳研究員與美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的陸錦標(biāo)教授。這也是中國(guó)科學(xué)家首次獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。

在確認(rèn)了中微子振蕩的新模式之后，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)轉(zhuǎn)為測(cè)量中微子質(zhì)量的大小順序。2015年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所在深圳西邊的江門開平市的打石山開始建造江門中微子實(shí)驗(yàn)室（JUNO），計(jì)劃于2020年建成。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室的升級(jí)版本，因此也被稱為“大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室二期”。

JUNO所在的實(shí)驗(yàn)廳位于地下700米，使用包含2萬(wàn)噸閃爍液的中微子探測(cè)器，是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)器中閃爍液的1000倍。這些液體中，99.7%是無毒、易降解的烷基苯。JUNO探測(cè)中微子的能量精度可以達(dá)到3%，精度超過所有目前正在運(yùn)行的中微子探測(cè)器。

鍺探測(cè)陣列：嘗試揭示我們?yōu)槭裁磿?huì)存在

大自然中很多微觀粒子都有對(duì)應(yīng)的反粒子，比如電子的反粒子就是正電子，質(zhì)子的反粒子就是反質(zhì)子。當(dāng)然，也有一些粒子的反粒子就是自身，比如光子的反粒子就是光子。上文曾提及，中微子的反粒子就是反中微子。不過，還有一種理論認(rèn)為：中微子的反粒子就是中微子自身。那么，中微子的反粒子到底是什么呢？

如果這個(gè)問題能夠得到解答，就會(huì)為“宇宙萬(wàn)物為何會(huì)存在”這個(gè)問題提供重要的線索。這是因?yàn)?，物理學(xué)家認(rèn)為，宇宙中的所有粒子如果是正反對(duì)稱的，那么這些粒子就會(huì)彼此湮滅，全都成為不帶電的粒子，宇宙中就不會(huì)有電子、質(zhì)子這樣的帶電粒子，也就無法構(gòu)成我們的物質(zhì)世界，更不會(huì)有地球和人類。

但事實(shí)上，這些物質(zhì)都真實(shí)存在。這就意味著，宇宙中正反粒子的數(shù)目是不同的。這是為什么呢？目前物理學(xué)家還沒有找到答案。不過，物理學(xué)家認(rèn)為，如果中微子的反粒子就是自身，那么就會(huì)有一種罕見的、被稱為“無中微子雙β衰變”的反應(yīng)發(fā)生。這個(gè)反應(yīng)釋放出2個(gè)電子，但不釋放中微子。

為了驗(yàn)證中微子的反粒子是否就是自身，意大利格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用鍺76探測(cè)器來探究是否有這樣的反應(yīng)發(fā)生。這個(gè)探測(cè)器位于地下1400米深處，含35.6千克的鍺76。

2017年4月，鍺76探測(cè)器小組在英國(guó)的《自然》雜志發(fā)表論文，宣布未發(fā)現(xiàn)“無中微子雙β衰變”反應(yīng)?；蛘哒f，沒有找到“中微子的反粒子為自身”的證據(jù)，從而給“中微子的反粒子為自身”的假設(shè)施加了非常嚴(yán)格的限制。