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，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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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”。
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？