探索中微子 中国人来了!

文摘   2024-10-29 00:01   广东  

      一直以来,网络上那些说中国基础科研不行都是个热门话术,可近年来,随着中国科技水平的不断提高,经济实力的不断增强,即便在全球最顶级的0-1阶段,也出现了越来越多中国人的身影,最近一条消息刷屏了!

       中国科学院消息,位于地下700米的广东江门中微子实验(JUNO)的中心探测器内部,世界最大的单体有机玻璃球已经全部建成,进入建设的收官阶段。

首先来科普一下何为中微子。

中微子,又译作微中子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号希腊字母ν 表示。

中微子个头小、不带电,可自由穿过地球,自旋为1/2,质量非常轻(有的小于电子的百万分之一),以接近光速运动,与其他物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”、“幽灵粒子”。科学界从预言它的存在到发现它,用了20多年的时间。1933年,意大利物理学家费米提出了β衰变的定量理论,指出自然界中除了已知的引力和电磁力以外,还有第三种相互作用—弱相互作用。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个中微子。他的理论定量地描述了β射线能谱连续和β衰变半衰期的规律,β能谱连续之谜终于解开了。美国物理学家柯万(Cowan)和莱因斯(Reines)等第一次通过实验直接探测到了中微子,莱因斯获1995年诺贝尔奖

中微子只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用,具有最强的穿透力,能穿越地球直径那么厚的物质。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测非常困难。正因为如此,在所有的基本粒子,人们对中微子了解最晚,也最少。实际上,大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生,例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然放射性(β衰变)、超新星爆发、宇宙射线等等。

中微子有大量谜团尚未解开。首先它的质量尚未直接测到,大小未知;其次,中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知;第三,中微子振荡还有两个参数未测到,而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关;第四,它有没有磁矩;等等。因此,中微子成了粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科。

为了探索中微子,2015年1月10日,在广东省江门市召开建设启动江门中微子实验室。江门中微子实验室位于广东省江门开平市,是由中科院和广东省共同建设的大科学装置,以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数,研究超新星、地球及太阳中微子,寻找质子衰变、不活跃中微子等为科学目标。这是继大亚湾反应堆中微子实验之后由中国主持的第二个大型中微子实验。

其基本示意图为:

江门实验的中微子探测器示意图:球形的中微子探测器置于水池中心,上下四周均被两米以上的水包围以屏蔽本底。在水池顶部采用迹线探测器作为反符合探测器;水池的内壁放置光电倍增管(PMT)探测宇宙射线。实验所采用的2万吨液体闪烁体探测器能量分辨率达到了前所未有的3%,液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时,偶尔会在探测器内发生反应,发出极其微弱的闪烁光,从而被光敏器件(光电倍增管)探测到。液体闪烁体99.7%的成份是烷基苯,是日用洗涤剂的主要原材料,具有无毒、易生物降解、火灾风险低等优点。

作为我国大科学工程建设在粤港澳大湾区的重大布局,江门中微子实验以测量中微子质量顺序为首要科学目标,同时也将深入研究大气中微子、太阳中微子、地球中微子、超新星中微子等。江门中微子实验其核心探测设备位于地下实验大厅内44米深的水池中央,它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球,以及2万吨液体闪烁体、45000只光电倍增管等关键部件组成。

江门中微子实验室,不过是近年来中国大科学装置的其中一个而已。大科学装置的科学技术目标是面向国际科学技术前沿,为国家经济建设、国防建设和社会发展做出战略性、基础性和前瞻性贡献。改革开放以来,我国的各项事业蓬勃发展。作为国家持续发展的支撑条件,我国正在建立宏大的创新体系。建立科技基础条件平台是国家创新体系建设中的重要内容,大科学装置则是国家科技基础条件平台的重要组成部分。

目前中国已经建成或已经开工的大科学装置包括:贵州500米口径球面射电望远镜(FAST)、合肥全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)、北京正负电子对撞机(BEPC)、北京怀柔的环形高能同步辐射光源(HEPS)、上海同步辐射光源(SSRF)、东莞散裂中子源(CSNS)、兰州重离子加速器、合肥同步辐射光源、成都中国环流器2号、青海冷湖天文观测基地、上海“神光”系列高功率激光装置、四川锦屏暗物质地下实验室(CJPL)、JF-22风洞实验室等,这些装置分别位于不同省份,涵盖了物理学、材料科学、生命科学、半导体等多个领域。

根据《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》和《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,我国正在建设或规划建设的综合性国家科学中心包括北京怀柔、上海张江、大湾区、安徽合肥、四川等地。这些科学中心不仅集中了大量的大科学装置,还通过建设配套生活区和产业转化基地,推动科技创新与产业发展的深度融合。

再过若干年,中国的基础科学研究势必更上一层楼,到那时,会批量出现中国科学家获得诺贝尔奖!

行者吴江
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