追尋”幽靈粒子”的巨獸: 盤點世界頂級中微子探測器

中微子、中微子震蕩、反中微子……它們都在哪里被“捉到”？

大家或許知道，中微子幾乎沒有質量，運動速度接近光速。作為“幽靈粒子”，曾三十余載隱藏在科學家的視野之外。它產生于放射性元素的衰減，太陽，星辰，都可能釋放出中微子。它們能夠穿過物質傳播而幾乎不受影響。研究中微子可以幫助我們理解關于宇宙的奧秘，然而科學家是怎樣探測到這些奇特的粒子呢？讓我們看看這些龐然大物。

高純鍺探測器陣列

Kai Freund/University of Tübingen

GERmanium Detector Array (GERDA) 位于意大利格蘭薩索實驗室，通過對隔離在深山中的純鍺晶體中的電流活動進行監測來尋找中微子。運行GERDA的科學家們希望能夠發現一種非常罕見的放射性衰減。

理論上講，137億年前的那場宇宙大爆炸造就了等量的物質和反物質。當物質與反物質發生碰撞，即彼此毀滅，只留下能量。

如果科學家能夠發現那種衰減，那很可能意味著中微子可以同時作為粒子和反粒子存在著。這將幫助解釋宇宙中為什么存在著諸多物質，為何我們今天生活在這里。

薩德伯里中微子觀測站

SNOLAB

加拿大薩德伯里中微子觀測站 (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) 于上世紀80年代建于1600米深的地下，最近改造升級為SNO+。

SNO+將探測來自地球、太陽甚至超新星的中微子。在其核心部位的巨型塑料球體內填充著800噸特殊的物質，稱為液體閃爍體。整個球體被“水殼”所環繞，并用繩索固定。它被約一萬個極其敏感的光檢測器監控著，也就是所謂的光電倍增管 (PMTs)。

當中微子與探測器中其他粒子發生接觸時，可在液體閃爍體中制造出光，而PMTs能夠對此進行捕捉。

正是在原有SNO的基礎上，科學家們才發現了中微子的三種形態。

冰立方中微子觀測站

Ian Rees/IceCube/NSF

阿蒙森-斯科特南極站矗立著世界最大的中微子觀測站。多達5160個探測器分布在南極的冰層之下，以尋找源自宇宙中諸如恒星爆炸、黑洞和中子星等極端事件產生的高能中微子。

據報道，當中微子闖入冰層中的水分子時，釋放的亞原子粒子高能爆發，波及范圍可達多個城市街區。這些粒子運動極快，并發出一種錐形輝光，即切連科夫輻射 (Cherenkov radiation)。這正是冰立方探測器要捕捉的東西。

科學家們希望借此信息還原中微子的運行路徑，辨認它們的來源。

大亞灣中微子實驗室

Roy Kaltschmidt/Lawrence Berkeley National Laboratory

我國大亞灣的山區內埋藏著三個中微子實驗廳。其中8個柱形探測器每個都包含著20噸的液體閃爍體，周圍則有上千個光電倍增管。它們被置入純水池中，以阻擋任何環境中的輻射。

附近的一組核反應堆不斷地產生著巨量的電子反中微子。這些反中微子接觸到液體閃爍體，釋放出輝光，并由光電倍增管捕捉。

大亞灣中微子實驗室旨在研究中微子振蕩。同中微子一樣，反中微子也在不同的形態間轉換。大亞灣的科學家們希望弄清在最遠端探測器中有多少反中微子因改變形態而避開了探測。

超級神岡探測器

Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo

超級神岡探測器 (Super-Kamiokande, Super K) 是在日本西部神岡町的茂住礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。巨大的探測器中包含五萬噸純水，以及近11200個光電倍增管。所以設備維護需要工作人員乘船前往。

與冰立方相似，神岡探測器也通過切連科夫輻射來捕捉中微子。1998年，神岡探測器戰勝了SNO，率先發現中微子振蕩的證據，并揭示出中微子也有微小的質量。

目前，研究人員正在發射長達289公里的中微子束，以進一步研究中微子振蕩。未來，他們還將進行五倍于此距離的中微子束實驗。

原文鏈接

http://www.businessinsider.com/physics-experiments-designed-to-detect-neutrino-ghost-particle-2016-5/

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