每时每刻，我们的身体都会被一种数以万计的微小粒子穿过，但我们完全不会受到影响，仿佛这些粒子根本就不存在一般。它就是构成物质世界最基本的粒子之一：中微子。探测中微子需要专门的设备，在广东江门，国家重大科技基础设施——江门中微子实验装置，正在紧张建设中，预计今年年底完成整个探测器的建设。这个神秘的实验室位于地下700米，是世界上最大的地下实验洞室。
江门中微子实验探测器正在建设中
那什么是中微子？我们为什么要探测它？这个深埋地下700米的探测装置到底长什么样呢？带着这些问题，我们一起走进“神秘莫测”的中微子世界。什么是中微子？
从著名物理学家泡利1930年提出存在中微子的假说算起，人类对中微子的研究已经有90多年的历史。若从1956 年人类第一次探测到中微子算起，人类对中微子的研究也有60多年的历史了。
中微子是一种不带电的基本粒子，有三种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，分别对应于相应的轻子：电子、μ子（缪子）和τ子（陶子）。中微子质量很小，只参与非常微弱的弱相互作用和引力相互作用，与物质的相互作用极小，穿透能力极强。在我们阅读这句话的一两秒钟，已经有数亿个中微子穿过我们的身体，但是我们并不会有任何感觉。这种几乎不与其他物质发生作用的特性，使得中微子探测非常困难。因此，在发现初期，中微子物理发展较为缓慢。中微子这么难探测，为什么我们还要费尽心力去探测它呢？这是因为探测中微子可以帮助我们认清物质和宇宙的本源，同时还有很多潜在的应用价值。在宇宙学和天体物理研究上，由于中微子的强穿透性，地球上可以探测到来自遥远星体和宇宙大爆炸初期产生的中微子，可以将几万光年以外星体的信息带到地球，也可以将太阳内部的信息传递给人类，通过分析可以得到太阳、超新星等天体乃至整个宇宙的内部结构和演化的物理规律。
在地球科学上，由于中微子与物质相互作用的截面会随着中微子能量的提高而增大，利用高能加速器产生能量较高的中微子束定向照射地层，会产生局部震动，能够实现对深层地层的扫描和勘探，进而获知地球内部结构的精确数据和演化规律。如果对中微子穿透性强的性质加以利用，那将是信息的绝佳载体，可以胜任全球点对点无线直联、完成恒星际或星系团之间，以及地面和深海之间电磁波难以完成的通信和探测任务。
图源：科学大院
如何探测中微子？
上文说到中微子有三种类型，这三种类型的中微子，在一定条件下，会反复互相转化，这个过程叫做“中微子振荡”。探测中微子的一种思路，就是探测中微子振荡。例如，大亚湾的中微子探测器就包括两部分：用于探测核反应堆放出的反电子中微子的中微子探测器和用于探测本底的μ子探测器。撤场前的大亚湾中微子实验站
图源：中国科学院高能物理研究所
在大亚湾的中微子探测器里，反电子中微子与探测器中掺钆（稀土元素）的液体闪烁体发生反β衰变反应，产生正电子和中子：正电子在液体闪烁体中发生电离损失，很快与电子湮灭形成快信号，并几乎带走中微子的所有能量。中子在液体闪烁体内慢化，经过大概30毫秒的特征时间被钆俘获，放出约 8 MeV的γ光子，称为慢信号。通过对快慢信号进行分析，就能够对中微子进行探测和分析。可能有人会问，中微子探测器为什么要深埋在地下呢？这是为了屏蔽宇宙射线，让探测结果更加精准。江门中微子探测器在地下实验大厅内44米深的水池中央，它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。整个探测器内的物理过程事实上是一个能量转换的过程。液体闪烁体的靶粒子——如快慢信号产生的γ光子——沉积的能量转换成可见光光子，光电倍增管将可见光光子转换成电信号，从而被电子学系统记录下来。液体闪烁体(简称：液闪)在中微子实验中被广泛应用，不仅得益于液闪的光产额高、衰减长度长、兼容性好，更因为它具有良好的稳定性、低毒性、低成本以及不限探测器形状和大小等优点。目前使用的液闪探测器中，液闪通常为2组分或3组分的混合溶液，分别由溶剂，第1溶质和第2溶质组成。溶剂通常选用芳香族化合物，如甲苯，偏三甲苯，线性烷基苯等。溶质的选择也比较多样化，可以根据不同溶质的性质和实验需求进行选择。图源：央视新闻
光电倍増管是一种真空光电器件，主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极组成。当光照射光电倍增管阴极时，阴极向真空中激发出光电子（一次激发），这些光电子进入倍增系统，由倍增电极激发的电子（二次激发）被下一倍增极的电场加速，飞向该极并撞击在该极上再次激发出更多的电子，通过逐级的二次电子发射得到倍增放大，放大后的电子被阳极收集作为信号输出。参考文献8
简单来说，电子在光电倍增管里就像坐了多级火箭一样，每过一层就放大一次，于是光电倍增管就能探测极为微弱的信号。
光电倍增管
总而言之，中微子的探测原理，就是中微子振荡在液体闪烁体中发生反β衰变，释放出微弱的光子，光子被2万多个光电倍增管捕捉，放大后的信号就是中微子探测的信号了。中微子振荡物理研究在过去几十年蓬勃发展，在三代中微子框架下，描述中微子的振荡参数被反应堆中微子实验、太阳中微子实验、加速器中微子实验、大气中微子实验等各类实验所测量。但各代中微子的绝对质量仍然未知，与中微子性质相关的遗留问题，还有中微子是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子, 以及是否存在惰性中微子等问题将会是未来中微子领域的研究热点。从大亚湾中微子实验到江门中微子实验，随着各类中微子实验项目的建设, 中微子也将在天文学、宇宙学、地球物理等领域有更多新发现与新进展。
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