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從泡利提出中微子概念至今已有80餘年,在中微子假說的提出、中微子的發現及研究中微子的過程中一波九折,其中有不少很有趣的故事,使本來就像幽靈的中微子顯得更加神秘。

來自地球的中微子

2010年3月,義大利科學家在國際著名學術期刊《物理世界》上報告:他們在實驗中首次觀測到地球中微子,即地球中鈾、釷元素衰變產生的電子反中微子。

實驗使用的Borexino探測器安裝在義大利格蘭薩索(Gran Sasso)地下1000多米深處,那裡是全球最“深”的實驗室之一,可以排除任何可能的干擾。探測器直徑約18米,由層層的防輻射層構成,外層儲存槽填滿2400噸純水,由一個巨大的不鏽鋼球體支撐,球體上有超過2200多個光電管。球體內部分成內外兩層尼龍容器,容器中都包含有高純度的液體閃爍體。如果中微子與液體閃爍體中的氫和氧原子核發生反應而產生電子,電子穿越液體時會產生閃爍光,探測器中的光電倍增管可以探測到單獨的光子並予以記錄。Borexino實驗的放射性背景輻射雜音比其他類似實驗也要低很多,因此能探測到很低能量的中微子。

地下實驗大廳中的Borexino探測器

實驗室的負責人貝利尼(G. Bellini)稱,Borexino觀測到來自地球的中微子,有的來自附近的地殼,有的來自更深的地幔,甚至有的來自地心。日本的KamLAND裝置2005年曾探測到地球中微子。但考慮到KamLAND附近的核電站也會釋放出大量中微子,其中包含較多本底。而Borexino所獲資料將為直接測量地殼深處的化學性質奠定基礎。透過這些資料並結合地球上其他地方實驗室獲得的資料,科學家最終了解地球內部的化學成分,能夠探測到地心處放射性物質的相對質量,從而比較精確地瞭解地幔產生了多少熱能、火山對流運動的大小以及地殼如何運動等極為重要的資訊,以便能更精確地預測地震和火山爆發等突發事件。

大氣中微子振盪的驗證

第12節介紹過的日本K2K長基線中微子振盪實驗1999年3月正式開始執行,利用KEK的12 GeV質子同步加速器PS產生的中微子束流,透過位於附近的前置探測器再到達超級神岡探測器。前置探測器用於精確測量中微子束流的通量,以及混入的其它種類中微子本底的比例。將超級神岡的測量結果與前置探測器的測量結果加以比較,以尋找因中微子振盪引起的效應。2001年,根據K2K所獲資料,中微子質量存在的機率提高到了99%,經進一步的理論驗證和整理,實驗結果在2002年得以正式發表。

K2K於2006年停止執行,長基線中微子振盪實驗轉移至位於茨城縣東洋村的J-PARC進行,稱為T2K(東洋到神岡)長基線中微子振盪實驗。質子同步加速器J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)由400 MeV直線加速器、3 GeV同步加速器和50GeV同步加速器構成,2001年4月開始建設,2009年1月正式啟用。

T2K長基線中微子振盪實驗位置示意圖

西川公一郎(K. Nishikawa)領導的T2K實驗有來自12個國家的500餘名研究人員參與。利用J-PARC加速器將質子加速到30 GeV,打靶產生μ 子中微子,並將束流對準295公里外的超級神岡探測器。T2K實驗自2010年1月開始執行。2011年3月11日,日本東北部海域發生里氏9.0級地震並引發海嘯,J-PARC加速器設施遭到破壞,被迫停止執行。在此期間,共探測到88箇中微子事例,其中6個為電子中微子。由於來自加速器的中微子束流中主要為μ 子中微子,觀察到的電子中微子必然來自振盪,這是首次觀察到的這種跡象。由於T2K是加速器實驗,振盪機率無法準確確定,所測6個電子中微子統計量較小,且這6個電子中微子的位置分佈也有點特殊,T2K實驗組2011年6月15日釋出了“首次觀察到中微子轉換為電子中微子現象”的新聞,更準確的結果還需進一步的實驗資料驗證。

而美國的MINOS實驗組緊接著在2011年6月24日宣佈已觀察到μ 子中微子轉化為電子中微子的現象,這個結果與T2K實驗宣佈的結果基本一致,但精度略低。

MINOS(Main Injector Neutrino Oscillation Search)實驗是20世紀80年代美國利用費米實驗室Tevatron對撞機的主注入器進行的中微子研究。主注入器120 GeV的質子束轟擊360米外的石墨靶,靶上產生的次級粒子在飛行中衰變形成μ 子中微子束流。該束流在地下穿過費米實驗室的近程探測器,然後到達位於735公里外,明尼蘇達州蘇丹(Soudan)礦井地下700米深的遠端探測器。

近程探測器由980噸鋼與閃爍體構成,直徑約1.83米,中微子束流透過這裡後以3.3度角向北-西北方向的遠端探測器前進,這730公里堅固岩石的路程僅需用0.0025秒。遠端探測器安裝在蘇丹礦井的探測器大廳中,礦井上方的岩石對宇宙線起著遮蔽作用,只有中微子和少數能量很高的宇宙線μ 子才能穿透到地下這一深度。遠端探測器總重10000噸,總長50米,用厚2.54釐米、對徑8米的486層正八邊形磁化鐵吸收體板與交替放置的透明塑膠閃爍體構成徑跡室,能對μ 子、強子以及中微子相互作用中產生的電磁簇射進行很好的能量測量和模式辨認。每天透過MINOS的遠端探測器的中微子中大約只有10個能撞擊裡面的原子核並被探測到。其餘的都悄悄地穿過探測器而不留下任何蹤跡繼續前進,直至最後進入空間。科學家們要對從費米實驗室出來的中微子與到達遠端探測器的中微子的特性進行測量和比較,研究中微子的特性,找出中微子振盪的證據,得出中微子的質量。

MINOS實驗設施由來自中、美、英、俄等國家的30多個研究所、大學和科研機構組成的合作組建造。遠端探測器2003年開始獲取宇宙線的資料,2005年起接收從費米實驗室傳送的中微子束流。2006年MINOS實驗組報告了初步測量結果:中微子發生了振盪。2011年6月24日,MINOS宣佈已捕獲到μ 子中微子轉化為電子中微子的罕見現象。

T2K於2011年底重新開始執行。2013年7月,西川公一郎(K. Nishikawa)領導的實驗組宣佈T2K獲得了中微子振盪的直接證據——超級神岡探測器在一束來自J-PARC的μ 子中微子束中探測到了電子中微子的訊號。

精彩後續,靜待明日~

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