那些年，我们追过的中微子

本报记者 刘 霞

轻如尘（几乎没有质量）、快似光（行进速度接近光速）、出没无常，还能够不时“变身”，在宇宙诞生之初就曾充斥全部宇宙的中微子，无疑是基本粒子世界里的“隐世高手”。

但与此同时，中微子身上也许背负着宇宙的许多机密，好比，中科院高能物理研究所研究员曹俊就在接纳采访时表示，中微子不只在微观世界最基本的规律中起着重要用处，并且与宇宙的起源和演变有关。宇宙中物质与反物质的纰谬称，极也许是由中微子形成的。如此一来，任何有关中微子的线索都可谓无价之宝。所以，虽然它行事低调，但声名显赫。

中微子又称“鬼魂粒子”，以举动诡异而著称于世：它们能从宇宙某次激烈爆发的中心不受搅扰地射出，笔挺地划过宇宙，丝绝不受影响地穿过地球大气层，这些特征让中微子成为宇宙与人类之间极佳的“信使”。可是，关键的问题是要在其抵达地球时捕获到它们。

所以，科学家们为其修筑了各类各样庞大而复杂的“宫殿”，静心期待着它的来临。美国商业内情（Business Insider）网站在最新报道中，为我们梳理了这些“庞然大物”，虽然其有不一样的任务，但最终任务是提醒覆盖在中微子头上的神奇面纱。

锗探测阵列：提醒我们为什么会存在

反物质是如今科学领域最大的谜团之一。依照如今我们对宇宙学和粒子物理学的最好懂得，大约137亿年前，物质和反物质在大爆炸中被制造出来，数目应当是一样的。接下来就是一场互相用处的风暴，物质和反物质本应短兵相接，玉石俱焚，只留下光子充斥全部宇宙，如此一来，人类也就不复存在，缘由是一切都在刹那间闪耀的伽马射线中湮灭。但是很显著，事情其实不是这样产生的。宇宙间充满了各类物质，反物质貌似“消失”了。

科学家们以为，答案也许在中微子身上。

20世纪30年代，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳提出，中微子能够作为自己的反粒子。假如这个理论是准确的话，那么科学家也许能够看到超级罕有的事件，也就是无中微子双β衰变。

中科院高能研究所副研究员周顺解释称，在通常的β衰变中，一个中子变为质子，同时释放出一个电子和一个电子反中微子。有些原子核则能同时产生两个β衰变，此时应当有2个电子反中微子发射出来。但假如反中微子和相应的中微子彻底一样，一个β衰变产生的反中微子将会在另外一个β衰变过程当中接收，结果全部核反响只产生两个电子。如此一来，便能够解开反物质的消失之谜。

据周顺介绍：“锗-76原子核是为数不多的、有也许进行这类衰变的、具有恰当数目质子和中子的原子核。它是锗-73原子核的同位素，含有32个质子和44个中子，具有与普通锗同位素不一样的原子质量。锗探测器阵列（GERDA）由此而生。锗探测器阵列位于意大利拉奎拉附近地下1.4千米深处的格兰萨索国家试验室里的液氩水箱里，能屏蔽宇宙线背景。”

假如科学家能发现它们正在寻觅的那种衰减，那极也许意味着，中微子能够同时作为粒子和反粒子而存在，这将帮助解释为什么宇宙更“偏爱”物质，和为什么我们今生成活在这里。

萨德伯里中微子观测站：调查中微子振荡

加拿大萨德伯里中微子观测站（SNO）于上世纪80年代建于地下2千米深处，最近改造升级为SNO+。

SNO+将探测来自地球、太阳甚至超新星的中微子，其核心是一个巨型塑料球体内，充满了800吨名为液体闪耀体的特别物质。全部球体被“水壳”所围绕，并用绳子固定。一万个极端敏感的光检测器——光电倍增管（PMTs）监控着它的一举一动。

傍边微子与探测器内其他粒子互相用处时，会在液体闪耀体中制造出光，光电倍增管的目的就是捕获这些光。因为原本的SNO，科学家们发现了中微子的三品种型（味）： 电子中微子、μ（缪子）中微子和τ（陶子）中微子。中微子能够在飞行中从一品种型转变为另外一品种型，这被称为中微子振荡。2015年，瑞典皇家科学院决定将诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳，以表扬他们在中微子振荡方面的发现。

全球最大中微子探测器“冰立方”：探测宇宙

中微子探测器“冰立方（IceCube）”是科学家们迄今设计的最猖狂观测台之一，其位于南极洲约2.4千米深的冰层下1立方千米的冰块内，由86根装备了传感器的电缆所构成，每根电缆包括有60个光学传感器，这5160个传感器的任务就是寻觅源自宇宙中诸如恒星爆炸、黑洞和中子星等极端事件产生的高能中微子。

傍边微子撞入冰层的水分子内时，释放的亚原子粒子的高能爆发能够涉及6个城市街区。这些粒子的运动极快，并发出一种蓝色辉光，即切连科夫辐射 （Cherenkov radiation）。这恰是冰立方探测器要捕获的物品。科学家们希望借助这一信息复原中微子的运转道路，识别它们的起源。

2010年“冰立方中微子天文台”完工，2012年公布了首个观测结论：发现了超高能中微子。这些中微子的能量高达2000万亿电子伏特，比大型强子对撞机产生的高能质子还要高300倍，如此高能量的中微子应来自极高能量的宇宙线粒子的碰撞过程。随后，科学家一直在搜索也许产生它们的奇怪天体活动。

德国科学家领导的国际科研团队在4月20日的《自然·物理学》杂志上撰文指出，他们对来自距离地球90亿光年以外的“PKS B1424-418”活动星系产生的射电和伽马射线数据进行了分析。结果表示，中微子和活动星系爆发在时间和方向上一致，由此揣摸中微子也许来自银河系外活动星系的爆发，使其成为首个拥有银河系以外泉源的超高能中微子事件。

大亚湾中微子试验：追随反中微子的“芳踪”

位于中国广东省深圳市的大亚湾中微子试验2006年立项，2007年10月开工，2011年年中慢慢完成探测器的建造与安装，同年8月开始近点取数、12月下旬开始远近点同时运转。

据周顺介绍，全部试验建有总长3千米的地道和3个地下试验大厅，每个试验厅内都有一个长16米、高宽各10米的巨洪水池，存有约2000吨纯洁水。3个试验大厅共放置8台中微子探测器，浸泡在水池正中。每台探测器是高5米、直径5米、重100吨的圆桶，里面装有20吨重的液体闪耀体，核心部分是液体闪耀体和光电倍增管。

附近的6个核反响堆陆续产生巨量有害的电子反中微子，这些反中微子流会与液体闪耀体互相用处，产生微弱的闪耀光。光电倍增管探测到闪耀光，将它转换成电信号，这样我们就探测到了反中微子。

大亚湾中微子试验室旨在研究中微子振荡。同中微子一样，反中微子也在不一样的形状间转换，科学家们希望厘清最远端的探测器中有多少反中微子因转变“味”而避开了探测。

北京时间2012年3月8日，大亚湾中微子试验国际协作组发言人王贻芳在北京宣告，大亚湾中微子试验发现了一种新的中微子振荡，并丈量到其振荡概率，极大地完善了中微子振荡理论，并对进一步懂得宇宙物质—反物质纰谬称具有重要的指标性意义。王贻芳团队所以项研究取得2016年国际“基础物理学冲破奖”。

超级神冈探测器：探测中微子的“味”

大型中微子探测器超级神冈探测器（Super K） 位于日本岐阜县飞騨市神冈町神冈矿山一个深达1000米的废弃砷矿中。庞大的探测器中包括5万吨纯水，有约11200个光电倍增管，所以设备保护需求工作人员搭船前去。

与“冰立方”一样，超级神冈探测器也利用切连科夫辐射来探测中微子。除过太阳中微子，超级神冈试验主要用来探测大气中微子信号。这类中微子是宇宙线轰击地球上层大气的产物，以两品种型出现，分别是电子中微子和缪子中微子。

1996年，超级神冈探测器开始取数。1998年，超级神冈试验负责人之一梶田隆章在中微子1998会议上发表了试验的丈量结果，第一次证明了中微子振荡现象的存在，成为首个取得中微子震动强证据的观测台。这一证据表示，中微子也有渺小的质量。2002年，小柴昌俊因为观测到1987A超新星中微子和前文提到的雷·戴维斯分享了诺贝尔物理学奖。

如今，研究人员正在朝着探测器发射长约290千米的中微子束，以进一步研究中微子振荡。另外一个马上开始的试验——深部地下中微子试验（DUNE）几乎发射五倍于此距离的中微子束来进行试验。