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每秒有上万亿个中微子穿透身体,顶尖学者沪上揭秘神秘中微子

2019-01-14 17:00:37来源:澎湃新闻  

知道中微子吗?中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子,占构成物质世界的已知的12种基本粒子的四分之一。中微子无处不在,每秒钟就有
知道中微子吗?

中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子,占构成物质世界的已知的12种基本粒子的四分之一。中微子无处不在,每秒钟就有上万亿个中微子自由穿透我们的身体;商用核电站在发电的同时,每秒释放出大约万亿亿个中微子。

江门中微子实验是目前中国主导下的大型国际科学合作项目。1月14日上午,第13届江门中微子实验国际合作大会在上海交通大学闵行校区开幕,共有来自16个国家和地区、五十多个高校与科研院所近三百位科研人员参会。

本次会议是江门中微子实验从五年的筹备和基建工作过渡到探测器安装、整合的关键转折点。实验中不同子系统之间的关联错综复杂,对接口细节要求非常严苛。各国科学家们将对各子系统的准备情况和接口设计开展严格的内部评审,逐一评估是否可以满足实验的科学需求,并确定未来各国研究单位的任务和时间表。

中微子有许多未解之谜

中微子在微观粒子物理和宏观宇宙起源及演化中扮演着极为重要的角色。然而由于中微子仅仅参与非常微弱的弱相互作用,难以被察觉到,除非通过超大体积和超级灵敏的粒子探测器。

多年来,中微子被认为是和光子一样没有质量的粒子。然而自1998年起,中微子被发现有一个特殊的“脾性”,那就是它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,科学家把这称作为“中微子振荡”,这个“脾性”也揭示了中微子一定具有微小的质量。这个突破性成果获得了2015年诺贝尔物理学奖。

中国科学家主导的大亚湾中微子实验于2012年发现第三种全新的中微子振荡模式,完善了对三类中微子相互转变的理解,因此获得了2015国际基础科学“突破”奖(Breakthrough Prize)和2016年国家自然科学一等奖。

尽管如此,中微子身上还存在着许多未解之谜。比如,三种中微子的质量谁最重、谁最轻(质量顺序)?中微子到底有多轻?它们是不是自己的反粒子?……以上这些问题都是国际上密切关注的研究前沿。

此外,宇宙中剧烈的天体活动如超新星爆发等会产生大量的中微子,近年来国际上通过中微子研究天体物理过程的中微子天文学已经成为了一门前沿的交叉学科。中微子可轻松穿透宇宙中致密的天体环境,因此是揭秘超高能宇宙射线起源的理想探针。

去年,位于南极的冰立方中微子实验(IceCube)就首次发现来自于猎户座40亿光年以外的“耀变体”中微子,证明了中心有超级黑洞的活动星系核确实可以加速宇宙射线到至少几万万亿电子伏特,比目前人类实现的最强大的加速器高几千倍。该发现被《科学》杂志遴选为2018年国际最重大科学突破之一。

有望首次测定中微子质量顺序

中科院高能物理研究所牵头的江门中微子实验位于广东江门市开平附近埋深700米的地下实验室内。该实验的核心是一个直径35米、重2万吨,具有超高纯净度和国际最好能量精度的液体闪烁体中微子探测器。

江门中微子实验站地理位置示意图。 本文图均为 上海交通大学供图

江门中微子实验探测器示意图。

通过测量来自广东阳江和台山核电站的中微子,实验可以来测定中微子质量顺序、精确测量中微子振荡,同时开展对超新星中微子、大气中微子、太阳中微子、地球中微子、惰性中微子、核子衰变、暗物质间接探测等前沿方向的研究。江门中微子实验的建设预计2021年全面完成,运行周期达20年以上。

江门中微子实验项目发言人、2015年基础科学突破奖得主、中科院高能所所长王贻芳院士表示,实验运行后,能够回答一系列重大科学问题,如中微子的质量顺序,超新星爆发机制等,不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献,也将对宇宙学、天体物理、乃至地球物理做出重大贡献。

项目副发言人之一、来自于意大利国家核科学研究所的资深研究员吉尔切诺?拉努奇(Gioacchino Ranucci)表示,在世界几个最大规模的中微子实验项目中(JUNO、美国的DUNE、日本的HyperK等),江门中微子实验将有望首次测定中微子质量顺序,并且对三类中微子振荡参数的完备性测量到前所未有的精度(1%)。合作组将液体闪烁体这个核心技术推进到前所未有的成熟度,未来10年将在基本粒子和天体物理领域取得一系列结果,成为国际中微子实验项目中的明星。

交大团队十年前加入大亚湾中微子实验

上海交通大学非常重视对国际重大科学前沿问题的研究。

上海交通大学于2009年成立了聚焦科学最前沿问题的粒子物理与宇宙学研究所,开展了中微子、暗物质和宇宙的起源和演化等多方面的研究。在实验方向上,交大刘江来教授团队自2009年起加入大亚湾中微子实验,是大亚湾实验成果的重要贡献者。目前,刘江来作为江门中微子实验合作组执行委员会成员之一,承担了研制中心探测器刻度系统的课题。

去年,交大引进了南极“冰立方”合作组的徐东莲副教授,她长期致力于寻找高能天体陶中微子和高能中微子瞬变源,在加入江门中微子实验合作组后计划开展中微子天文学方面的研究,进一步拓宽实验的科学潜力。

大会之后,江门中微子实验首届国际科学咨询委员会会议也将于1月19-20日在上海召开,届时来自日本东京大学、美国杜克大学、意大利SISSA研究所、德国慕尼黑工大、俄罗斯杜布纳联合核子研究所等世界顶尖学者们将听取各个课题负责人的报告,对实验项目的科学和实验方面提出咨询意见。

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