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地下700米!中国科学家如何捕捉“宇宙幽灵”中微子?

   时间:2025-01-14 15:36:59 来源:环球时报新媒体作者:环球时报新媒体编辑:快讯团队 发表评论无障碍通道

在探索宇宙奥秘的征途中,科学家们选择了一个不同寻常的地点——中国广东江门开平市地下700米深处,来捕捉宇宙中最神秘、最难捉摸的粒子之一:中微子。

江门中微子实验,自2013年启动以来,经历了11年的精心设计和建造,终于在这座位于青山之中的地下实验大厅内揭开了神秘面纱。这个巨大的探测器,仿佛一个深埋地下的“宇宙侦探”,专门用来捕捉那些被称为“宇宙幽灵”的中微子。

为什么要深入地下700米?这背后有着科学的深思熟虑。原来,地面上的宇宙射线会干扰中微子的探测,而700米厚的山体和岩层就像一道天然的屏障,能够大幅减少这些干扰。实验地点距离附近的阳江核电站和台山核电站均为53公里,形成了一个完美的等腰三角形布局,从而能够最大限度地利用两个核电站释放的总功率,提高实验的精度。

江门中微子实验的核心探测设备是一座巨大的液体闪烁体探测器,高达13层楼,位于地下实验大厅内一个44米深的池子中央。这个探测器内部布满了密密麻麻的光电倍增管,它们就像无数双眼睛,时刻盯着每一个进入探测器的中微子。当中微子与液体闪烁体发生作用时,会发出微弱的光,这些光被光电倍增管捕捉并转换成电信号,然后经过放大,最终成为科研人员可以分析的数据。

中微子,这个构成物质世界的基本粒子,自宇宙大爆炸以来就一直在宇宙中弥散。然而,由于它们质量极轻、速度极快,且几乎不与任何物质发生反应,因此极难被探测到。直到1956年,美国物理学家才首次在核电站反应堆中探测到了中微子的存在。从那以后,中微子就成为了物理学界的研究热点,相关成果甚至四次获得了诺贝尔奖。

尽管如此,科学家们对中微子的了解仍然有限。中微子的质量大小、起源、质量顺序以及是否造成宇宙中物质与反物质的不对称等关键问题仍然悬而未决。江门中微子实验的首席科学家、中国科学院院士王贻芳表示,建设先进的探测器,获取更精确的数据,是解决这些问题的关键。

事实上,江门中微子实验已经接过了“前辈”——大亚湾中微子实验的接力棒。大亚湾中微子实验在2007年开工建设,2011年正式运行取数,并在2012年发现了一种新的中微子振荡。这一成果不仅获得了2016年度国家自然科学奖一等奖,还将中微子振荡振幅的测量精度从20%提高到了2.8%。

江门中微子实验的设计寿命为30年,预计在正式运行后的5到10年内完成测量中微子质量顺序这一最主要的科学目标。同时,科研人员还将投入测量中微子的振荡参数,把精度提高10倍左右,并涉足超新星、地球中微子、太阳中微子等研究领域。在2030年左右,科研人员还将对探测器进行改造升级,使其能够测量中微子的绝对质量。

江门中微子实验的建设不仅推动了中微子研究的发展,还在国产新型光电倍增管研制、高性能液体闪烁体研制、超大型高精度探测器设计制造等一系列前沿技术领域取得了实质性突破。这些技术的国产化不仅满足了实验装置的建设需求,还推动了相关产业的发展,充分体现了大科学计划的牵引作用。

随着江门中微子实验的建成和投入使用,中国将成为国际中微子研究的中心之一,与日本的神冈中微子实验和美国的深部地下中微子实验形成三足鼎立之势。这将进一步巩固中国在中微子研究领域的国际领先地位。

 
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