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2021年5月22日,“科普中国-我是科学家”第34期“突破想象力!”演讲现场,中国科学院高能物理研究所副研究员、中微子和低本底探测手艺研究者赵洁带来演讲:《捉住幽灵粒子,捉住1/4个天下》。

演讲嘉宾赵洁:《捉住幽灵粒子,捉住1/4个天下》 | 拍摄:Vphoto

以下为赵洁演讲实录:

2021.05.22 深圳

迎接人人来到中微子的天下。今天我要讲的是《捉住幽灵粒子,捉住1/4个天下》,这个问题听起来有点科幻,什么是幽灵粒子,为什么又是1/4天下?接下来我会为人人逐一解答。

我们对地球以外的宇宙有着自然的好奇,那我想问人人一个问题,观察宇宙的方式有哪些?最直接的方式莫过于仰面看天,看漫天的星辰,若是想要看得更清晰一点,我们可能需要借助一架专业的天文望远镜,除了这种直接向上的探索方式以外,我们科研事情者还会在深深的地下挖一个伟大的洞,然后守候来自宇宙的使者到达我们身边,被我们捕捉到。我们江门中微子实验设计就是在高山下面700米深的位置,挖一个十几层楼高的大洞,来捕捉来自宇宙的幽灵粒子――中微子。

中微子这个词听起来似乎有点生疏,感受和我们的生涯也没有什么关系,但事实上,中微子是我们生涯当中的常客,它是无处不在的。组成我们物质天下的基本粒子有12种,其中有3种,是差异类型的中微子,因此它也是组成我们物质天下的那1/4。中微子是所有基本粒子当中最小的,以我们对照熟悉的基本粒子――电子为例,电子的质量也许是10的负27次方克这样一个数目级,那么中微子有多小呢,它的质量还不到电子的百万分之一。

科学家们普遍以为,现在的宇宙来自于Big Bang,也就是大爆炸,它能够注释宇宙的起源和演化,并获得科学研究和观察的一些支持,大爆炸的时刻发生了异常多的中微子,且中微子还随同着宇宙天体的整个演化历程,好比说超新星发作,太阳核聚变发光发烧,都市发生大量的中微子;而穿梭于宇宙当中的宇宙射线,在到达地球穿过大气层时,也会发生大量的中微子;我们所栖身的地球,也是一个异常大的中微子源;甚至于我们身体,由于我们体内和天天摄入的食物内里富含有钾元素,因此人体也是一其中微子源,每小我私人天天都能释放出3亿多其中微子。除了这些自然的中微子源以外,中微子还可以被人工造出来,好比说反映堆的核裂变,加速器的束流打靶,都是可以发生中微子的。

现在我们知道,中微子在我们周围甚至在整个宇宙当中都是普遍存在的,那为什么我们却感受不到它的存在呢?实验发现,中微子有一个异常神奇的特征,它具有极强的穿透性,好比每十万亿个太阳放出的中微子,在穿过地球的历程中,仅有一颗中微子,是有可能和地球发生相互作用的,以是说中微子被称为宇宙的幽灵粒子

与地球反映的中微子异常希罕 | Fermilab

这意味着,以人体为例,每秒钟都有万亿其中微子穿过身体,而我们没有任何感受,若是中微子没有这种隐身特征的话,那我们现在就不能能平稳地坐在这儿了,人体瞬间就会被万亿其中微子打成一个筛子。

中微子的这个特征也使得它很难被捕捉到,它在1930年被沃尔夫冈・泡利所预言,但直到历时26年以后,才被弗雷德里克・莱因斯和克莱德・科温,两位物理学家在反映堆旁边给捕捉到了,直接证实了中微子是现实存在的,发现者也获得了诺贝尔物理学奖。

中微子的发现,使中微子的研究变得火热起来,在几十年的不停探索中,科学家们发现中微子不仅会隐身,它还会变身,什么意思呢?中微子在靠近光速的流传历程中,它能够从一种类型的中微子,转酿成另外一种类型的中微子,更神奇的是它还能够变回它自己,我们称这种征象叫中微子振荡征象,举个例子,一家有三姐妹,老大、老二和老三,老大在路上走得好好的,走着走着却酿成了老二,这有点像中微子第一种振荡模式,它是被加拿大的SNO实验,通过观察太阳放出的中微子而观察到的。

左:SNO实验阿瑟・麦克唐纳;右:超级神冈实验�|田隆章 | Nobel Media AB. Photo

老二继续往前走,她走着走着又酿成了老三,有点像中微子的第二种振荡模式,它是被日本的超级神冈实验,通过观察大气发生的中微子而观察到的,这两个实验也由于直接观察到了中微子振荡,证实中微子是有质量的,而获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

适才我提到过,中微子有三种类型,很自然地人们就会问,老大能不能直接酿成老三?也就是,中微子是否存在第三种振荡模式?第三种振荡模式是否存在,或者这种概率是否足够大,将直接决议着能否在现有手艺基础上去研究中微子的其他未知性子,以及解决宇宙正反物质纰谬称之谜等等。

基于验证中微子第三种振荡模式的主要性,国际多个国家提出了许多的实验方案――

这张图中列出来的是8个反映堆实验方案,内里也包罗中国的大亚湾实验,在大亚湾实验之前,我国没有履历建设中微子探测器,而竞争对手来自美国、日本、欧洲等蓬勃国家,他们有履历异常厚实的团队。然则大亚湾有异常好的先天地理优势,以是美国人放弃在自己本土搭建探测器,带着人和钱,加入到我们的大亚湾实验当中。图中虽然有异常多的实验方案,但由于种种缘故原由,有的没有正常开展或者运行,最终介入角逐的只有法国的Double-Chooz,韩国的RENO,另有中国的大亚湾实验,谁最先测到第三种振荡模式,谁就能够赢得这场重量级的全球竞赛。

大亚湾实验,由于建设在广东省大亚湾核电站周围而得名,十年前我作为大亚湾实验的亲历者,有幸介入到最后的建设当中。2011年年底的时刻,根据原本建设8个探测装备的设计,我们只建成了6个,但那时的国际竞争可谓到了争分夺秒的阶段,由于韩国的RENO实验已于昔时的8月份最先取数,随时有可能宣布功效,我们大亚湾实验互助组当机立断,下刻意提前启动装置,捕捉中微子。

记得很清晰,那是2011年12月24日,也就是圣诞节的前一天,我们大亚湾实验最先6个探测装置的取数,最终证实这是一个异常伶俐的决议,我们观察到了反映堆中微子振荡,领先于另外两个实验,第一次看到了中微子第三种振荡模式,这一主要功效入选了美国科学杂志评选的2012年度十大突破,并被赞誉为中国有史以来最主要的物理学功效。2016年的国际基础物理学突破奖,颁给了五其中微子振荡实验,其中也包罗大亚湾实验,这是中国科学家和以中国科学家为主的实验团队首次获得这个奖项。同时我们也获得了国家自然科学一等奖、未来科学大奖等等。

在获得这一主要功效后,我们在2012年的炎天暂停取数,完成了剩余探测装备的安装,最先对中微子振荡举行准确丈量。十年磨一剑,2003年我们首次提出了实验方案,到2012年我们发现了主要的物理学功效,我国在中微子实验领域从零起步,一步步走到了国际领先的水平。

大亚湾实验于2020年名誉退役 | 刘悦湘供图

去年底,大亚湾实验退役了,然则大亚湾实验不是终点而是起点,由于中微子天下另有异常多的未解之谜,好比中微子的绝对质量有若干,三种中微子谁重谁轻,能否行使中微子解决宇宙中正反物质纰谬称之谜?大亚湾的主要功效,为下一代中微子实验打开了一扇门,使得我们可以在现有手艺的基础上,进一步研究中微子性子。

适才我们提到,中微子是基本粒子当中最小的,它的质量还不到电子的百万分之一,现在海内外还没有任何实验,能够丈量到它的绝对质量是若干,然则我们可以通过丈量中微子振荡征象,来获得两种中微子的质量差,从而可以对三种中微子举行质量排序。

针对这样一个未解的科学问题,新一轮的国际竞争再次睁开,这张图中列出来的,都是可以用来丈量质量顺序的实验方案,其中包罗美国、欧洲、日本、印度,另有在我们中国的江门中微子实验。江门中微子实验制作在广东省江门市,设计在开平打石山下700米深的位置,挖一个十几层楼高的大洞,用来捕捉来自宇宙和反映堆的中微子。相比大亚湾实验,我们江门实验的探测装备,比大亚湾要大了一千倍,这对我们来说是一个异常大的挑战。

讲了这么多,人人可能很好奇,中微子会隐身还会变身,那是怎么被捕捉到的?我们捕捉中微子不是靠肉眼去看,由于在所有的基本粒子当中,除了特定波长的光子以外,其他的粒子都是肉眼不能见的,我们需要借助于极周详的仪器去探测它,把它们身上携带的信息,转化成我们可以看得懂的量,这样我们就看到它了,接下来一个视频演示,来展现中微子在我们的探测器内里是什么样子。

视频由江门实验互助组中山大学软件组提供

当外界一其中微子打到探测器内里,它有一定概率,可以和探测介质发生相互作用,同时会发出微弱的荧光,这个荧光被周围极迅速的光学器件捕捉到,并放大一万万倍,我们就看到这其中微子了。大亚湾实验是制作在本土的实验,这样先天的优势使得我们可以培育出一批国际一流的科学家,而且积累厚实的履历。但相比大亚湾实验,江门实验的探测装置事实大了一千倍,自然也有异常多的手艺难点和挑战,适才提到过中微子发出的微弱信号,是被遍布周围的光学器件捕捉到的,这就要求我们有异常好、极其周详的光学器件去探测它,这种光学器件是光电倍增管。

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用于捕捉信号的光电倍增管 | 刘悦湘供图

在江门实验之前,这种高品质20英寸光电倍增管,只有日本一个厂家可以生产,价钱是极其昂贵的,也是制约实验进度的一个主要因素。于是我们下定刻意自主研发,经由十年时间,我们研发出了国际一流的光电倍增管,而且大批量地用在了江门实验当中,极大地降低了实验成本。

中微子虽然异常多,但它具有极强的穿透性,以是最终能被捕捉的只是凤毛麟角,而周围的环境、天上的宇宙线,另有探测器的质料等等,都可以带来异常多的非中微子事例,数目远远大于中微子数目。

寻找中微子犹如在无数黄豆中找一颗绿豆 | 图虫创意

举个形象的例子,我们寻找中微子,就犹如在一百万颗黄豆内里去挑一颗绿豆,要想快速准确地挑出中微子这颗绿豆,就需要尽最大可能压低黄豆数,我们把这么一个巨型的探测器,安装在深深的地下,一个主要目的就是降低来自宇宙射线的非中微子事例。我的主要事情,就是尽最大的可能去降低江门探测器质料所带来的非中微子事例,为江门实验保驾护航。

江门探测器结构示意图 | 江门实验互助组供图

这张图是我们江门探测器的一个结构示意图,十几层楼高的巨洪水晶球,是由600吨高透明度有机玻璃搭建而成,内里将要灌装2万吨最透明的液体闪灼体,用来捕捉中微子。这个液体要多透明呢?人人可以想象一下,两万吨的液体内里,若是混入0.01克灰尘,这个液体就是不及格的。这么一个巨型水晶球,被一千吨最清洁的不锈钢支持起来,并浸泡在3.5万吨超级纯净的水内里,所有这些措施都是为了降低周围环境、岩石、残余宇宙射线带来的非中微子事例。

值得自满的是,江门探测器的所有主质料,所有高质量地实现国产化,极大地降低了我们实验的成本。

江门实验在2015年1月最先破土动工,在挖掘的历程中也遇见到了异常多未预推测的问题。

动工历程中遇到地下漏水问题 | 刘悦湘供图

最为严重的就是如上图所示的地下漏水问题,严重影响了我们的施工进度。经由6年艰辛卓绝地挖掘,战胜现场种种难题,最终我们在地下挖出了实验大厅。

通往地下实验室的斜井隧道 | 刘悦湘供图

这两张图就是通往地下实验厅的斜井隧道。

江门实验实验大厅 | 刘悦湘供图

这张图是我们在700米山下,挖出的40多米高的一个实验大厅。

在实验大厅底部焊接不锈钢 | 刘悦湘供图

这张图是我们正在实验大厅底部去焊接不锈钢。设计在今年秋天,最先探测器主结构的搭建。

盛放最透明液体的不锈钢容器 | 刘悦湘供图

这张图是我们用来盛放两万吨最透明液体的不锈钢容器,图中事情职员穿着清洁服,已经完成了对整个容器的清洁事情,设计在明年秋天最先液体的灌装。

江门实验设计2023年最先取数 | 刘悦湘供图

现在江门实验正在火热地建设当中,设计2023年最先取数。我们现在对于中微子的研究还主要集中于它的基个性子丈量,也就是停留在基础科学层面。然则,今天的科学是明天的手艺,中微子怪异的性子,使得它有可能会为未来通讯和维护人类和平做出主要孝顺。但从基础科学得手艺转化,这是需要一代代科学家连续起劲的。

让我们拭目以待吧,谢谢人人。

作者:赵洁

监制&谋划:吴欧

编辑:酥鱼 蔡�t

排版:尹宁流

校对:蔡�t

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