江门中微子实验:探索基本粒子与宇宙奥秘

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中国正在启动一座地下探测器,用于探测中微子——一种可能帮助科学家解开宇宙奥秘的微小粒子。这一耗资3亿美元的设施预计将于2025年下半年投入运行。点击音频,收听完整报道。


仰望星空,广袤而神秘的宇宙隐匿在云层之后,等待人类去探索未知。为了揭开宇宙演化的奥秘,中国科学家另辟蹊径,选择向地底深处寻找答案。

位于地下700米的中国大科学装置江门中微子实验(JUNO)专门用于探测中微子——一种微小却可能解答宇宙奥秘的粒子。

中国科学院高能物理研究所副所长、江门中微子实验项目常务副经理曹俊研究员解释了什么是中微子:

“中微子是构成物质世界的基本粒子之一。由于它几乎不与其他物质发生相互作用,目前我们对中微子的了解仍然非常有限。这也是我们需要研究中微子的原因。我们推测,中微子可能与宇宙中一些长期未解的谜题密切相关。”

尽管中微子的存在早在近一个世纪前就已被发现,但目前对它的研究仍处于早期阶段。研究表明,中微子可追溯至138亿年前宇宙大爆炸时期,当时宇宙从一个极高温、高密度的点开始迅速膨胀,这就是所谓的“大爆炸”。

科学家推测,在这一时期产生了大量粒子,而中微子因极少与其他粒子发生作用,成为最难探测和测量的粒子之一。因此,科学家们寄希望于江门中微子实验的核心探测设备来帮助解决这些难题。

中国科学院高能物理研究所所长、江门中微子实验首席科学家兼项目经理王贻芳院士介绍了探测器的工作原理:

“我们希望通过这一探测器测量中微子的质量差异,确定哪种中微子更重,哪种更轻,这就是中微子质量排序。当然,我们也希望在实验运行期间能够观察到附近的超新星爆炸,并探测到从中释放的中微子。这将帮助我们更好地理解中微子的性质以及超新星爆炸的机制。”

这一探测器规模庞大,耗时9年建成。它深埋地下,以屏蔽宇宙射线和辐射对中微子探测的干扰。球形探测器内部装满了一种液体,当中微子通过时,这种液体会发光。

探测器还将研究中微子的反粒子——反中微子。这些反中微子来自附近两座核电站内部的碰撞反应。当反中微子与探测器内的粒子接触时,会产生光,而探测器将捕捉并分析这些光信号。

美国西北大学理论物理学家安德烈·德·古维亚(André de Gouvêa)进一步解释了探测器的独特之处:

“这是一个内部装有液体闪烁体的大球体,其表面装有大量光子探测器。让江门中微子实验与众不同的是,这些探测器的数量非常多,几乎覆盖了整个球体,这在任何实验中都是前所未有的。”

这一探测器造价昂贵,耗资3亿美元建造。与此同时,美国和日本也正在建设各自的中微子探测器,预计分别在2027年和2031年投入运行。通过不同的方法,这些探测器将与中国的探测器进行数据交叉验证。

对于曹俊研究员等科学家来说,他们不仅希望江门中微子实验能够解决中微子研究中的现有问题,更期待从中发现全新的科学突破:

“中微子质量排序是我们的首要目标。但实际上,对于任何科学家来说,最激动人心的永远是未 知。我们期待从数据中涌现出一些计划之外、甚至是我们从未想象过的发现。这才是真正激动人心的地方——未来可能带来的意外发现。”

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