【科学故事会】在地下700米捕捉“宇宙幽灵粒子”
中国科普作家协会 何婧雯 2024-04-11 19:51
700米是什么概念？它有上百层楼那么高。那如果是向下700米呢？那将是需要乘坐轨道缆车，通过长长的斜井才能到达的地方。
在广东的深山里，有一群人在地下700米挖出了一个大洞，放置了一只超大的水晶球，正准备捕捉“宇宙幽灵粒子”。
什么是“宇宙幽灵粒子”？
“宇宙幽灵粒子”实际上是中微子。
什么是中微子呢？
山川河流、岩石土壤，每个在地球上存活过的生命，乃至宇宙星河——我们已知的、能看见的一切物质，都由12种基本粒子构成。这些基本粒子中，就有3种不同类型的中微子，即电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。那为什么把中微子比作“幽灵”呢？
因为在生活中，每秒都有数以万亿计的中微子，以接近光速的速度从我们的身体里穿过，而我们却根本感受不到它。它就像隐身了一样！
更不可思议的是，中微子还会变身！科学界将三种中微子之间的相互转换，称为“中微子振荡”。换一个形象的比喻，三种中微子好比是语文、数学、科学的三科老师。想象一下，你的数学老师正上着课，突然变成了语文老师；语文老师讲着讲着，又变成了科学老师，这种变化就是中微子振荡。
▲大亚湾中微子实验的中心探测器
2012年3月，在各国争分夺秒的竞争中，中国大亚湾实验率先测得了中微子的第三种振荡模式，并发布了这一重要成果。美国《科学》杂志将其评为当年全球十大科学突破，并认为该成果是“中国有史以来最重要的物理学发现”！
新的故事已始于地下700米
2020年，大亚湾实验光荣退役，但中微子还有很多未解之谜。
经过科研人员的反复讨论和验证，最终，广东江门开平市的打石山被选为新中微子实验基地，被命名为“江门中微子实验”，其主要任务是对三种中微子的质量进行排序。利用这个实验，科学家还可以研究超新星、地球及太阳发出的中微子，等等。
▲光电倍增管
要想捕捉到中微子，需要尽量屏蔽宇宙射线和光的干扰，以便探测器能更好地发现中微子的踪迹，因此，探测器被建在地下700米，借山石土地屏蔽干扰。当然，仅是屏蔽掉干扰还不够，还需要有捕捉中微子踪迹的“眼睛”。
▲江门中微子实验探测器
具体如何捕捉呢？科研人员在地下700米的巨大水晶球中，注入“液体闪烁体”，如果中微子在这个液体里发生反应，液体就会出现荧光；接着，球体周围遍布的“猎眼”——探测器件光电倍增管就会捕捉这些微弱的光信号，并将其转化为电信号，由数据获取系统保存下来，提供给研究人员做分析研究。
中国科学院院士王贻芳曾说：“理解神奇美妙的粒子物理世界，是人类文明发展最高端的标志之一。”江门中微子实验是中国向浩瀚宇宙发出的又一次天问。了解更多中微子的奥秘，可能就能让我们在探索茫茫宇宙的万里征途中，迈出坚实的一步。
作者/何婧雯（北京市科学技术普及创作协会）
来源/《科学故事会》杂志2024年2-3月合刊
