輕如塵（幾乎沒有質量）、快似光（行進速度接近光速）、神出鬼沒，還可以不時“變身”，在宇宙誕生之初就曾充斥整個宇宙的中微子，無疑是基本粒子世界里的“隱世高手”。

但與此同時，中微子身上可能背負著宇宙的很多秘密，比如，中科院高能物理研究所研究員曹俊就在接受采訪時表示，中微子不僅在微觀世界最基本的規律中起著重要作用，而且與宇宙的起源和演化有關。宇宙中物質與反物質的不對稱，很可能是由中微子造成的。如此一來，任何有關中微子的線索都可謂價值連城。所以，盡管它行事低調，但聲名顯赫。

中微子又名“幽靈粒子”，以行為詭異而著稱于世：它們能從宇宙某次劇烈爆發的中心不受干擾地射出，筆直地劃過宇宙，絲毫不受影響地穿過地球大氣層，這些特性讓中微子成為宇宙與人類之間極佳的“信使”。不過，關鍵的問題是要在其抵達地球時捕捉到它們。

因此，科學家們為其修建了各種各樣龐大而復雜的“宮殿”，靜心等待著它的降臨。美國商業內幕（Business Insider）網站在最新報道中，為我們梳理了這些“龐然大物”，盡管其有不同的任務，但終極使命是揭示籠罩在中微子頭上的神秘面紗。

 

 

鍺探測陣列：揭示我們為什么會存在

反物質是目前科學領域最大的謎團之一。按照目前我們對宇宙學和粒子物理學的最佳理解，大約137億年前，物質和反物質在大爆炸中被創造出來，數量應該是相同的。接下來就是一場相互作用的風暴，物質和反物質本應短兵相接，同歸于盡，只留下光子充斥整個宇宙，如此一來，人類也就不復存在，因為一切都會在瞬間閃耀的伽馬射線中湮滅。然而很明顯，事情并不是這樣發生的。宇宙間充滿了各種物質，反物質貌似“消失”了。

科學家們認為，答案可能在中微子身上。

20世紀30年代，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納提出，中微子可以作為自己的反粒子。如果這個理論是正確的話，那么科學家或許能夠看到超級罕見的事件，也就是無中微子雙β衰變。

中科院高能研究所副研究員周順解釋稱，在通常的β衰變中，一個中子變成質子，同時釋放出一個電子和一個電子反中微子。有些原子核則能同時發生兩個β衰變，此時應該有2個電子反中微子發射出來。但如果反中微子和相應的中微子完全相同，一個β衰變產生的反中微子將會在另一個β衰變過程中吸收，結果整個核反應只產生兩個電子。如此一來，就可以解開反物質的消失之謎。

據周順介紹：“鍺-76原子核是為數不多的、有可能進行這種衰變的、具備適當數量質子和中子的原子核。它是鍺-73原子核的同位素，含有32個質子和44個中子，具有與一般鍺同位素不同的原子質量。鍺探測器陣列（GERDA）由此而生。鍺探測器陣列位于意大利拉奎拉附近地下1.4公里深處的格蘭薩索國家實驗室里的液氬水箱里，能屏蔽宇宙線背景。”

如果科學家能發現它們正在尋找的那種衰減，那很可能意味著，中微子可以同時作為粒子和反粒子而存在，這將幫助解釋為什么宇宙更“偏愛”物質，以及為何我們今天生活在這里。

 

 

薩德伯里中微子觀測站：調查中微子振蕩

加拿大薩德伯里中微子觀測站（SNO）于上世紀80年代建于地下2公里深處，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，其核心是一個巨型塑料球體內，充滿了800噸名為液體閃爍體的特殊物質。整個球體被“水殼”所環繞，并用繩索固定。一萬個極其敏感的光檢測器——光電倍增管（PMTs）監視著它的一舉一動。

當中微子與探測器內其他粒子相互作用時，會在液體閃爍體中制造出光，光電倍增管的目標便是捕捉這些光。由于原有的SNO，科學家們發現了中微子的三種類型（味）： 電子中微子、μ（繆子）中微子和τ（陶子）中微子。中微子可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，這被稱為中微子振蕩。2015年，瑞典皇家科學院決定將諾貝爾物理學獎授予日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納，以表彰他們在中微子振蕩方面的發現。

 

 

全球最大中微子探測器“冰立方”：探測宇宙

中微子探測器“冰立方（IceCube）”是科學家們迄今設計的最瘋狂觀測臺之一，其位于南極洲約2.4公里深的冰層下1立方公里的冰塊內，由86根裝備了傳感器的電纜所組成，每根電纜包含有60個光學傳感器，這5160個傳感器的使命就是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。

當中微子撞入冰層的水分子內時，釋放的亞原子粒子的高能爆發能夠波及6個城市街區。這些粒子的運動極快，并發出一種藍色輝光，即切連科夫輻射 （Cherenkov radiation）。這正是冰立方探測器要捕捉的東西。科學家們希望借助這一信息還原中微子的運行路徑，辨認它們的來源。

 

 

2010年“冰立方中微子天文臺”竣工，2012年發布了首個觀測結論：發現了超高能中微子。這些中微子的能量高達2000萬億電子伏特，比大型強子對撞機產生的高能質子還要高300倍，如此高能量的中微子應來自極高能量的宇宙線粒子的碰撞過程。隨后，科學家一直在搜尋可能產生它們的奇異天體活動。

德國科學家領導的國際科研團隊在4月20日的《自然·物理學》雜志上撰文指出，他們對來自距離地球90億光年之外的“PKS B1424-418”活動星系產生的射電和伽馬射線數據進行了分析。結果表明，中微子和活動星系爆發在時間和方向上一致，由此推斷中微子可能來自銀河系外活動星系的爆發，使其成為首個擁有銀河系之外源頭的超高能中微子事件。

 

 

大亞灣中微子實驗：追尋反中微子的“芳蹤”

位于中國廣東省深圳市的大亞灣中微子實驗2006年立項，2007年10月動工，2011年年中逐步完成探測器的建造與安裝，同年8月開始近點取數、12月下旬開始遠近點同時運行。

據周順介紹，整個實驗建有總長3公里的隧道和3個地下實驗大廳，每個實驗廳內都有一個長16米、高寬各10米的巨大水池，存有約2000噸純凈水。3個實驗大廳共放置8臺中微子探測器，浸泡在水池正中。每臺探測器是高5米、直徑5米、重100噸的圓桶，里面裝有20噸重的液體閃爍體，核心部分是液體閃爍體和光電倍增管。

附近的6個核反應堆不斷產生巨量無害的電子反中微子，這些反中微子流會與液體閃爍體相互作用，產生微弱的閃爍光。光電倍增管探測到閃爍光，將它轉換成電信號，這樣我們就探測到了反中微子。

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，科學家們希望厘清最遠端的探測器中有多少反中微子因改變“味”而避開了探測。

北京時間2012年3月8日，大亞灣中微子實驗國際合作組發言人王貽芳在北京宣布，大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率，極大地完善了中微子振蕩理論，并對進一步理解宇宙物質—反物質不對稱具有重要的指標性意義。王貽芳團隊因此項研究獲得2016年國際“基礎物理學突破獎”。

 

 

超級神岡探測器：探測中微子的“味”

大型中微子探測器超級神岡探測器（Super K） 位于日本岐阜縣飛騨市神岡町神岡礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中。巨大的探測器中包含5萬噸純水，有約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”一樣，超級神岡探測器也利用切連科夫輻射來探測中微子。除了太陽中微子，超級神岡實驗主要用來探測大氣中微子信號。這種中微子是宇宙線轟擊地球上層大氣的產物，以兩種類型出現，分別是電子中微子和繆子中微子。

1996年，超級神岡探測器開始取數。1998年，超級神岡實驗負責人之一梶田隆章在中微子1998會議上發表了實驗的測量結果，第一次證實了中微子振蕩現象的存在，成為首個獲得中微子震蕩強證據的觀測臺。這一證據表明，中微子也有微小的質量。2002年，小柴昌俊由于觀測到1987A超新星中微子和前文提到的雷·戴維斯分享了諾貝爾物理學獎。

目前，研究人員正在朝著探測器發射長約290公里的中微子束，以進一步研究中微子振蕩。另一個即將開始的實驗——深部地下中微子實驗（DUNE）幾乎發射五倍于此距離的中微子束來進行實驗。

(原標題：那些年，我們追過的中微子——盤點迄今最大最酷的中微子實驗）

 

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那些年，我們追過的中微子

圖文簡介

鍺探測陣列:揭示我們為什么會存在②薩德伯里中微子觀測站:調查中微子振蕩③全球最大的中微子探測器“冰立方”:探測宇宙④大亞灣中微子實驗:追尋反中微子⑤超級神岡探測器:探測中微子的“味”。