日本要在地下建世上最大水缸 想寻找宇宙幽灵(组图)

就在前两周，日本高能加速器研究机构（KEK）在官网上宣布，高能物理学界最为重要的工程之一——“顶级神冈”（Hyper-Kamiokande）中微子探测器项目正式得到了国会批准，工程计划于今年4月开工，并将在2027年建成后开始采集数据。这个拗口的大工程是做什么的？简单说来，就是要在地下挖出一个大洞，在洞里建造世界上最大的“水缸”作为探测器，以此来追寻宇宙的“幽灵粒子”——中微子的踪迹。



顶级神冈探测器效果图 | 顶级神冈官网

世界上最大的水缸

顶级神冈，这个名字听起来真是又唬人又中二。更有意思的是，顶级神冈还有两个“长辈”，分别叫神冈（Kamiokande）和超级神冈（Super-Kamiokande）。三个探测器都建在日本岐阜县飞驒（tuó）市深达1千米的废旧矿井中，名字来源于矿井所在的神冈矿山。

神冈探测器建于1983年，后来为了提高精度，就在隔壁建造了更大的超级神冈。现在物理学家又想升级超级神冈，于是便有了几公里外的新一代顶级神冈——如果还想造个更大的，怕是英文单词都不够用了。



神冈探测器“祖孙三代”（从左到右为神冈、超级神冈、顶级神冈）| 超级神冈、顶级神冈官网

神冈探测器祖孙三代非常相似，主体设施都是一个“大水缸”，其中最新一代的顶级神冈探测器建成后，还将成为世界上最大的水箱。最大是有多大呢？按照设计，顶级神冈探测器是一个直径68米、高度71米的巨大圆柱体，比巴黎圣母院的正面双塔还要高。这个圆柱体能储藏26万吨水，如果都是饮用水的话，足够400多万人喝整整一个月。



顶级神冈的大水缸比巴黎圣母院的正面双塔还要大 | Twitter@Michel Gonin

不过，水缸里面装的可不是我们平时用的自来水，而是几乎不含任何杂质的纯水。水还要求足够清澈，透明度能达到100多米。这种纯水也不是一般认为的无色，而是带有一点蓝色，和热带浅海的颜色有点相像。



蓝色的超纯水 | 超级神冈官网

除了超纯水，水缸的内壁还会布满一种特殊的仪器——光电倍增管，就是下图长得像电灯泡的大家伙。光电倍增管就像猎手敏锐的眼睛，具有极高的灵敏度和超快的响应速度，能够把微弱的光信号放大很多倍后转化为电信号。顶级神冈的大水缸会在内壁装上多达4万多个直径50厘米的光电倍增管，来检测水中产生的信号。



最敏锐的眼睛——光电倍增管 | 日本滨松光子学株式会社官网 & 超级神冈官网

顶级神冈探测器的还没正式开工，我们不妨通过它的前辈——超级神冈探测器来体会一下建成后的景象。超级神冈的水缸直径41.4米、高度39.3米，大小只有顶级神冈的一半，但内部的景观已经非常壮观：工作人员检修仪器需要划船，仿佛是在湖中泛舟；墙壁上的光电倍增管密密麻麻地排列，像是布满泡泡的气泡膜，又像是来到了一座巨大的蜂房。

超级神冈尚且如此庞大，更不用说到时候规模会扩大一倍的顶级神冈了。



超级神冈内景 | 超级神冈官网



工作人员在超级神冈内部检修光电倍增管 | 超级神冈官网

如此宏大的工程，造价自然也是不菲的。顶级神冈项目第一年的建设预算为35亿日元（约合2.23亿元人民币），而建造“大水缸”探测器的总花费更是达到了649亿日元（约合41.2亿人民币）。日本将承担整个项目组75%的经费，其余支出将由英国、加拿大等国际合作方提供。

不过看到这，你肯定已经产生了这个疑问：又是建大水缸，又是在里面注纯水，又要在内部装上几万个光电倍增管，为什么花这么多钱建造顶级神冈呢？

 “幽灵粒子”中微子 

我们所在的物质世界是由各种基本粒子构成的，其中有大家熟知的原子、电子，也有变化多样的介子、夸克等等，顶级神冈想要探测的中微子也是粒子大家族中的一员。

不过，中微子有着非常奇特的性质：它的数量极其之多，是宇宙中数量最为庞大的粒子之一，却几乎不和物质发生反应，很难被仪器探测到，这也是外号“幽灵粒子”的由来——漫游整个宇宙，却又不留痕迹、来去无踪。



中微子是一种数量极多、质量极轻的基本粒子 | Fermilab

举几个魔幻的例子：此时此刻，每秒就有1万亿个中微子正在穿过你的身体，而你却浑然不知，身体也不会受到任何影响，穷尽人的一生，可能才会有1个中微子与身体某个部位的原子发生反应，释放几个无关紧要的光子；在更大尺度上，太阳射向地球的中微子，只有十万亿分之一被地球上的物质吸收 ，绝大多数都直接穿透了地球这个巨大的球体，向着宇宙的最深处飞去。



穿透地球的太阳中微子发生反应的概率只有十万亿分之一 | Fermilab

既然中微子像幽灵一样来无影去无踪，我们怎样才能证明它的存在呢？一种办法便是建造像顶级神冈探测器这样的大水缸。

中微子有极小的概率与纯水的氢原子或氧原子反应，产生的高能粒子会在水中留下“幽灵的脚印”——切伦科夫辐射光。这些光信号如果被光电倍增管接收，就会放大成电信号，也就间接探测到了中微子的痕迹。



中微子与“大水缸”中的纯水发生反应，产生的光信号会被光电倍增管接收｜超级神冈官网

中微子这个“幽灵”与各种物质（当然包括纯水）实在是太难反应了，日本的物理学家想了一些对策来提高反应概率：水缸必须建造在很深的地下，用岩石抵挡宇宙射线；水缸装的水要足够纯净透明，才能保证切伦科夫辐射光能被准确地记录下来。



切伦科夫辐射会在粒子前进方向形成光环（图中绿边圆形）是中微子在水中留下的“脚印” | 超级神冈官网

说到底，为什么物理学家如此想方设法探测中微子的踪迹呢？

简单来说，这是为了更精确地测量中微子的性质。中微子有种特性叫做“中微子振荡”：中微子会像变色龙一样在三种类型之间相互转换。人们有望借助顶级神冈探测器来确定这三种中微子的质量顺序，并研究中微子振荡产生的一种叫做“CP破坏”的物理现象。对CP破坏的解释有可能破解宇宙的物质远远多于反物质的难题。同时，探测器还能接收到宇宙天体和超新星爆炸产生的大量中微子，以此来研究天体本身的性质。



中微子振荡现象，三种类型中微子会相互转换 | 诺贝尔奖官网

其实，除了追踪中微子，建造顶级神冈探测器还有一个目的，那就是进一步寻找前两代神冈探测器都没能发现的质子衰变现象，不过限于篇幅，在这里就不展开介绍了。

追寻中微子的“三驾马车”

除了顶级神冈，还会有两个中微子实验项目将在未来十年里建成，它们分别是中国的江门地下中微子实验（JUNO）和美国的深层地下中微子实验（DUNE）。这三大实验都是通过在很深的地下储藏数量庞大的靶物质（能够与中微子发生反应的物质）来探测中微子的踪迹，可以说是本世纪20年代中微子研究的“三驾马车”。



中国的JUNO、美国的DUNE和日本的顶级神冈将成为未来十年追寻中微子踪迹的三大实验工程

JUNO的探测器埋在地下700米，是一个浸在大水池里的“水晶球”。这个有史以来最大的空心有机玻璃球将会装满一种名为“液闪”的液体，液闪由烷基苯和一些配料组成，透明、放射性低，能更准确地探测到中微子留下的痕迹。而美国的地下中微子实验的主体是一个作为“中微子枪”的粒子加速器和两个探测器，其中较远的探测器将会装有4万多吨的液态氩，与中微子反应的概率会更大。



江门地下中微子实验 | JUNO官网



美国深层地下中微子实验| DUNE官网

在探寻中微子方面，“三驾马车”各有所长。中科院高能物理研究所研究员曹俊在接受《科技日报》记者采访时表示，顶级神冈实验能精确研究正反中微子行为差异，在超新星中微子和质子衰变研究上也将表现最好；江门中微子实验将最早投入运行，有望率先测量质量顺序，在精确测量振荡参数上有不可替代的优势；美国地下中微子实验则主要研究中微子质量顺序和正反中微子的行为差异。三大中微子实验能起到很好的互补作用，共同为人类揭开中微子奥秘、追溯宇宙起源迈出坚实的一步。

最后值得一提的是，顶级神冈的前两代探测器与诺贝尔奖有着很深的渊源：日本物理学家小柴昌俊因神冈探测器捕获超新星中微子荣获2002年诺贝尔物理学奖，他的弟子梶田隆章又在2015年因超级神冈探测器发现中微子振荡现象获得了这一奖项。不知道未来的某位诺贝尔奖得主，会不会就在顶级神冈、JUNO和DUNE这三大中微子实验当中诞生呢？



DUNE探测器模型内景

中微子研究的黄金时代已经到来 | CERN 阅读原文