超级神冈:从质子衰变到中微子振荡的科学探索

作者: 曹俊

来源: 曹俊新浪微博

发布日期: 2015-10-12 08:42:41

2015年诺贝尔物理奖表彰了梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳发现中微子振荡现象,证实中微子有质量。这一发现改变了我们对物质世界最基本规律的认识。从最初的寻找质子衰变到发现大气中微子反常,再到确凿的中微子振荡证据,超级神冈实验历经多次升级和重建,成为了国际中微子研究的旗舰装置。中微子振荡不仅揭示了中微子微小的质量,还对宇宙起源与演化有重要影响。

2015年诺贝尔物理奖颁给日本的梶田隆章和加拿大的阿瑟·麦克唐纳,表彰他们发现中微子振荡现象,证实中微子有质量。它改变了我们对物质世界最基本规律的认识。

梶田隆章发现大气中微子振荡的实验起初并不是用来寻找中微子振荡的。七十年代末,两个实验项目被提出来寻找质子衰变,一个是小柴昌俊领导的日本神冈实验,另一个是雷因斯领导的美国IMB实验。神冈实验的探测器采用3000吨纯净水和1000个直径20英寸的光电倍增管,位于岐阜县一个地下1000米的废弃砷矿中。实验1982年开始建设,1983年建成。神冈实验没有找到质子衰变,确定质子的寿命大于10^33年。

但是,在寻找质子衰变的过程中发现了奇怪的现象。1988年,小柴昌俊的学生,29岁的梶田隆章在分析数据时发现,测到的缪中微子比预期的少,被称为“大气中微子反常”。中微子本身不能被探测,但它偶尔会与水中的原子核发生反应,从而留下踪迹。

1998年6月的日本高山市,梶田隆章代表超级神冈在“国际中微子大会”上报告,以确凿的证据发现了大气中微子振荡。从3000吨到5万吨,扣掉发生在探测器边缘,质量不太好的事例,实际数据量增加了不止20倍。

中微子振荡改变了什么?物质世界最基本的规律由粒子物理“标准模型”描述。但它并不仅是一个“模型”,而是由无数实验证实的、内部统一的理论体系,具有优美的对称性。中微子振荡间接地说明它有微小的质量。但它的质量是如此之小,以至于迄今还没有测出来,也还没有找到右旋中微子,没有测出它的速度与光速的区别,有很多实验仍在努力。

超级神冈自1996年开始,一直运行到现在。2001年发生了一件让人印象深刻的事。在检修后重新注水的过程中,一个光电倍增管爆了。光电倍增管是电真空器件,水涌入真空后反弹,形成激波。在激波的冲击下,出现了连锁反应,6000个光电倍增管相继爆裂,每个价值3000美元。整个中微子界都惊呆了。每个类似的实验都开始研究,这样的灾难会不会发生在自己身上。没过多久,日本人就宣布将重建超级神冈实验。

超超级神冈计划今年向政府提交申请,2025年建成,可以通过大气中微子测量中微子质量顺序,可以将质子衰变的寿命下限再提高一个量级,在测量CP破坏、探测超新星中微子、超新星背景中微子上,它也具有显著的优势。

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