江門中微子實驗看透“幽靈粒子”
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從地面入口乘上纜車,沿斜井隧道緩緩下行,伴隨鼓風機的持續轟鳴,約15分鐘后,記者抵達一個寬敞明亮的地下空間。這裡位於地下700米深處,正是江門中微子實驗(JUNO)所在地。
11月19日,中國科學院高能物理研究所在此舉辦新聞發布會,宣布JUNO裝置建設成功並發布首個物理成果。利用JUNO投入運行后59天獲取的數據,JUNO合作組成功測量了兩個關鍵的太陽中微子振蕩參數,並將測量精度提升至此前最好結果的1.5到1.8倍。
作為國際上首個建成的新一代超大規模、超高精度中微子實驗裝置,JUNO主要解決哪些科學問題?研究中微子對普通人有什麼意義?為什麼要不遺余力地提高中微子振蕩參數的測量精度?針對以上問題,科技日報記者採訪了相關專家。
第一問:中微子有隱身特性,研究它能揭示哪些奧秘?
中微子是一種“幽靈粒子”,能輕易穿透地球和人體,卻幾乎不留痕跡。“這種幾乎不與物質作用的‘隱身’特性,使中微子成為完美的宇宙信使,攜帶著關於宇宙誕生與演化的古老信息。”JUNO合作組發言人、中國科學院高能物理研究所王貽芳院士說,JUNO就是一個研究中微子的專用大科學裝置。
“中微子可以分為3種:電子中微子、繆中微子和陶中微子。JUNO的核心目標,是確定這3種中微子的質量順序,也就是搞清楚它們當中究竟哪個最重、哪個最輕。”中國科學院高能物理研究所所長曹俊說,這是當前中微子物理最根本的科學問題之一。
JUNO還將精確測量中微子振蕩參數,並對太陽中微子、地球中微子、超新星中微子、大氣中微子、質子衰變等進行交叉研究。
“通過這些研究,JUNO將揭示天體和行星的內部奧秘,並搜尋宇宙背景信號。我們也相信,這些研究將極大地推動我們對中微子的理解,並有望發現突破當前理論框架的新物理。”曹俊說。
第二問:追溯萬物的開端,對我們普通人有什麼意義?
“中微子與我們的最直接聯系,可以追溯到萬物的開端。它決定了我們能否存在。”王貽芳說。
在宇宙大爆炸后的極早期,空間中曾遍布著微小的“密度漲落”,它們是未來所有星系、恆星乃至生命的原始“種子”。但如果中微子完全沒有質量,它就會以光速飛馳,從而將這些珍貴的初始“種子”全部抹平。
王貽芳解釋,正是因為有一點點微小的質量,中微子才得以減緩速度,允許宇宙早期的“密度漲落”被保留並放大,最終引力才能成功地凝聚出星系、銀河系、太陽、地球以及人類。
“我們研究中微子,本質上是一種對自然規律的純粹探索。它短期內可能確實沒有直接的用處,但從長遠來看,其價值是無法預料的。就像電剛被發現時,人們也不知道它將來能用來做什麼。”曹俊說,“這正是基礎研究的意義:我們先去理解世界,而改變世界的種子,往往就埋藏在這份理解之中。”
第三問:聚焦振蕩參數測量,為何要不遺余力提高精度?
我們目前測量的中微子振蕩參數,是自然界的基本常數。這些參數的精確數值,對許多前沿研究來說至關重要。
“比如,物理學中一個未解之謎:中微子是否是自身的反粒子?這個問題的答案,直接關系到我們為何能存在於這個宇宙之中。”曹俊說,對這個問題的最終判斷,依賴於我們對中微子基本參數的精確了解。如果這些基本參數測不准,科學界可能就需要耗費10年甚至更長時間,投入巨大資源去設計多個新實驗來反復驗証。
曹俊認為,如果對這些參數的測量足夠精確,許多原本模糊的物理圖像會變得非常清晰,我們也能夠借此檢驗是否存在超出標准物理模型的新物理。
JUNO剛剛發布的首個成果,正是這一精確測量理念的生動體現。該成果顯著提高了太陽中微子振蕩參數的測量精度。該參數可以通過兩種方法測量:一種是利用太陽發出的中微子,另一種是利用核反應堆產生的中微子。但這兩種方法此前對中微子振蕩參數之一的質量平方差的測量結果,有大約1.5倍標准偏差的不一致。
“這種不一致,可能是源於實驗誤差,但也可能暗示存在新物理。我們進行高精度測量,能夠以更高的准確度澄清這一差異,解決測量不一致問題。”王貽芳解釋。(科技日報江門11月19日電
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