追寻”幽灵粒子”的巨兽: 盘点世界顶级中微子探测器

中微子、中微子震荡、反中微子……它们都在哪里被“捉到”？

大家或许知道，中微子几乎没有质量，运动速度接近光速。作为“幽灵粒子”，曾三十余载隐藏在科学家的视野之外。它产生于放射性元素的衰减，太阳，星辰，都可能释放出中微子。它们能够穿过物质传播而几乎不受影响。研究中微子可以帮助我们理解关于宇宙的奥秘，然而科学家是怎样探测到这些奇特的粒子呢？让我们看看这些庞然大物。

高纯锗探测器阵列

Kai Freund/University of Tübingen

GERmanium Detector Array (GERDA) 位于意大利格兰萨索实验室，通过对隔离在深山中的纯锗晶体中的电流活动进行监测来寻找中微子。运行GERDA的科学家们希望能够发现一种非常罕见的放射性衰减。

理论上讲，137亿年前的那场宇宙大爆炸造就了等量的物质和反物质。当物质与反物质发生碰撞，即彼此毁灭，只留下能量。

如果科学家能够发现那种衰减，那很可能意味着中微子可以同时作为粒子和反粒子存在着。这将帮助解释宇宙中为什么存在着诸多物质，为何我们今天生活在这里。

萨德伯里中微子观测站

SNOLAB

加拿大萨德伯里中微子观测站 (Sudbury Neutrino Observatory, SNO) 于上世纪80年代建于1600米深的地下，最近改造升级为SNO+。

SNO+将探测来自地球、太阳甚至超新星的中微子。在其核心部位的巨型塑料球体内填充着800吨特殊的物质，称为液体闪烁体。整个球体被“水壳”所环绕，并用绳索固定。它被约一万个极其敏感的光检测器监控着，也就是所谓的光电倍增管 (PMTs)。

当中微子与探测器中其他粒子发生接触时，可在液体闪烁体中制造出光，而PMTs能够对此进行捕捉。

正是在原有SNO的基础上，科学家们才发现了中微子的三种形态。

冰立方中微子观测站

Ian Rees/IceCube/NSF

阿蒙森-斯科特南极站矗立着世界最大的中微子观测站。多达5160个探测器分布在南极的冰层之下，以寻找源自宇宙中诸如恒星爆炸、黑洞和中子星等极端事件产生的高能中微子。

据报道，当中微子闯入冰层中的水分子时，释放的亚原子粒子高能爆发，波及范围可达多个城市街区。这些粒子运动极快，并发出一种锥形辉光，即切连科夫辐射 (Cherenkov radiation)。这正是冰立方探测器要捕捉的东西。

科学家们希望借此信息还原中微子的运行路径，辨认它们的来源。

大亚湾中微子实验室

Roy Kaltschmidt/Lawrence Berkeley National Laboratory

我国大亚湾的山区内埋藏着三个中微子实验厅。其中8个柱形探测器每个都包含着20吨的液体闪烁体，周围则有上千个光电倍增管。它们被置入纯水池中，以阻挡任何环境中的辐射。

附近的一组核反应堆不断地产生着巨量的电子反中微子。这些反中微子接触到液体闪烁体，释放出辉光，并由光电倍增管捕捉。

大亚湾中微子实验室旨在研究中微子振荡。同中微子一样，反中微子也在不同的形态间转换。大亚湾的科学家们希望弄清在最远端探测器中有多少反中微子因改变形态而避开了探测。

超级神冈探测器

Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo

超级神冈探测器 (Super-Kamiokande, Super K) 是在日本西部神冈町的茂住矿山一个深达1000米的废弃砷矿中建造的大型中微子探测器。巨大的探测器中包含五万吨纯水，以及近11200个光电倍增管。所以设备维护需要工作人员乘船前往。

与冰立方相似，神冈探测器也通过切连科夫辐射来捕捉中微子。1998年，神冈探测器战胜了SNO，率先发现中微子振荡的证据，并揭示出中微子也有微小的质量。

目前，研究人员正在发射长达289公里的中微子束，以进一步研究中微子振荡。未来，他们还将进行五倍于此距离的中微子束实验。

原文链接

http://www.businessinsider.com/physics-experiments-designed-to-detect-neutrino-ghost-particle-2016-5/

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