每秒有上萬億個中微子穿透身體 頂尖學者揭秘神秘中微子

本次會議是江門中微子實驗從五年的籌備和基建工作過渡到探測器安裝、整合的關鍵轉折點。實驗中不同子系統之間的關聯錯綜複雜,對接口細節要求非常嚴苛。各國科學家們將對各子系統的準備情況和接口設計開展嚴格的內部評審,逐一評估是否可以滿足實驗的科學需求,並確定未來各國研究單位的任務和時間表。

中微子有許多未解之謎

中微子在微觀粒子物理和宏觀宇宙起源及演化中扮演著極為重要的角色。然而由於中微子僅僅參與非常微弱的弱相互作用,難以被察覺到,除非通過超大體積和超級靈敏的粒子探測器。

多年來,中微子被認為是和光子一樣沒有質量的粒子。然而自1998年起,中微子被發現有一個特殊的「脾性」,那就是它可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型,科學家把這稱作為「中微子振蕩」,這個「脾性」也揭示了中微子一定具有微小的質量。這個突破性成果獲得了2015年諾貝爾物理學獎。

中國科學家主導的大亞灣中微子實驗於2012年發現第三種全新的中微子振蕩模式,完善了對三類中微子相互轉變的理解,因此獲得了2015國際基礎科學「突破」獎(Breakthrough Prize)和2016年國家自然科學一等獎。

盡管如此,中微子身上還存在著許多未解之謎。比如,三種中微子的質量誰最重、誰最輕(質量順序)?中微子到底有多輕?它們是不是自己的反粒子?……以上這些問題都是國際上密切關注的研究前沿。

此外,宇宙中劇烈的天體活動如超新星爆發等會產生大量的中微子,近年來國際上通過中微子研究天體物理過程的中微子天文學已經成為了一門前沿的交叉學科。中微子可輕鬆穿透宇宙中致密的天體環境,因此是揭秘超高能宇宙射線起源的理想探針。

去年,位於南極的冰立方中微子實驗(IceCube)就首次發現來自於獵戶座40億光年以外的「耀變體」中微子,證明了中心有超級黑洞的活動星系核確實可以加速宇宙射線到至少幾萬萬億電子伏特,比目前人類做到的最強大的加速器高幾千倍。該發現被《科學》雜誌遴選為2018年國際最重大科學突破之一。

有望首次測定中微子質量順序

中科院高能物理研究所牽頭的江門中微子實驗位於廣東江門市開平附近埋深700米的地下實驗室內。該實驗的核心是一個直徑35米、重2萬噸,具有超高純淨度和國際最好能量精度的液體閃爍體中微子探測器。

通過測量來自廣東陽江和台山核電站的中微子,實驗可以來測定中微子質量順序、精確測量中微子振蕩,同時開展對超新星中微子、大氣中微子、太陽中微子、地球中微子、惰性中微子、核子衰變、暗物質間接探測等前沿方向的研究。江門中微子實驗的建設預計2021年全面完成,運行周期達20年以上。

江門中微子實驗項目發言人、2015年基礎科學突破獎得主、中科院高能所所長王貽芳院士表示,實驗運行後,能夠回答一系列重大科學問題,如中微子的質量順序,超新星爆發機制等,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。

項目副發言人之一、來自於義大利國家核科學研究所的資深研究員吉爾切諾 拉努奇(Gioacchino Ranucci)表示,在世界幾個最大規模的中微子實驗項目中(JUNO、美國的DUNE、日本的HyperK等),江門中微子實驗將有望首次測定中微子質量順序,並且對三類中微子振蕩參數的完備性測量到前所未有的精度(1%)。合作組將液體閃爍體這個核心技術推進到前所未有的成熟度,未來10年將在基本粒子和天體物理領域取得一系列結果,成為國際中微子實驗項目中的明星。

交大團隊十年前加入大亞灣中微子實驗

上海交通大學非常重視對國際重大科學前沿問題的研究。

上海交通大學於2009年成立了聚焦科學最前沿問題的粒子物理與宇宙學研究所,開展了中微子、暗物質和宇宙的起源和演化等多方面的研究。在實驗方向上,交大劉江來教授團隊自2009年起加入大亞灣中微子實驗,是大亞灣實驗成果的重要貢獻者。目前,劉江來作為江門中微子實驗合作組執行委員會成員之一,承擔了研制中心探測器刻度系統的課題。

去年,交大引進了南極「冰立方」合作組的徐東蓮副教授,她長期致力於尋找高能天體陶中微子和高能中微子瞬變源,在加入江門中微子實驗合作組後計劃開展中微子天文學方面的研究,進一步拓寬實驗的科學潛力。

大會之後,江門中微子實驗首屆國際科學咨詢委員會會議也將於1月19-20日在上海召開,屆時來自日本東京大學、美國杜克大學、義大利SISSA研究所、德國慕尼黑工大、俄羅斯杜布納聯合核子研究所等世界頂尖學者們將聽取各個課題負責人的報告,對實驗項目的科學和實驗方面提出咨詢意見。