美国和日本尝试从中微子中提取宇宙的关键秘密

在物理学家中，那些研究被称为中微子的难以捉摸的粒子的人可能会为顽固的测定设定标准--或者顽固的固执。12年来，日本科学家将数以万亿计的中微子穿过地球发射到一个巨大的地下探测器--超级Kamiokande(SuperK)，以研究它们的移动特性。然而，几乎没有质量的粒子与其他物质的相互作用是如此微弱，以至于被称为T2K的实验只捕获了不到600个。尽管如此，中微子是如此诱人，以至于物理学家们不仅在坚持，他们还计划大大加大努力来制造和捕获中微子。最重要的可能是对物理学中最深刻的问题之一的洞察：新生宇宙如何产生比反物质更多的物质，从而使它充满了某种东西而不是什么都没有。除其他外，这一前景引发了一场建造两台大型地下探测器的竞赛，耗资数亿至数十亿美元不等。在日本前小镇Kamioka附近的一座老锌矿里，物理学家们正准备建造Hyper-Kamiokande(Hyper-K)，这是超级K的一个巨大的继承者，它将仔细检查在东京295公里外的日本质子加速器研究中心(J-Parc)的粒子加速器发射的中微子。在美国，科学家们正在南达科他州铅的一个金矿开发深埋中微子实验(沙丘)，该实验将从伊利诺伊州巴塔维亚1300公里外的费米国家加速器实验室(Fermilab)捕获中微子。这两个实验的研究人员都承认他们处于竞争中，而Hyper-K可能有优势，因为它可能在沙丘之前几年就开始收集数据。然而，除了他们的目标，“超-K和沙丘是巨大的不同，”长庚说，中微子物理学家在石溪大学，T2K成员，现在也在沙丘工作。

Kamiokande将是著名的超级Kamiokande中微子探测器的更大版本，这是一个巨大的装满水的水箱，内衬着光管。

超级K将比沙丘更大，但比沙丘更便宜，它代表了日本物理学家40年来开发的一系列更大的中微子探测器中的下一个。这些中微子探测器具有相同的基本设计。东京大学粒子物理学家、500名成员Hyper-K合作的联合发言人Masato Shiozawa说，这几乎是可以预料到的。“Hyper-K是一种比沙丘更成熟的技术，”他说。“这就是我提出这个建议的原因。”沙丘将采用一种相对较新的技术，该技术有望以惊人的细节揭示中微子之间的相互作用，并允许物理学家以前所未有的严谨程度测试他们对这些粒子的理解。博洛尼亚大学(University Of Bologna)粒子物理学家塞尔吉奥·贝尔托卢奇(Sergio Bertolucci)和意大利国家核物理研究所(National Institute for核物理)以及1300名成员沙丘合作的联合发言人塞尔吉奥·贝托卢奇(Sergio Bertolucci)说：“不吹嘘太多，我们在课堂上是最好的。”然而，这种技术优势带来了高昂的价格标签，Bertolucci承认，风险更大。

这种竞争的结果将取决于与地下挖掘费用一样平凡的因素，也取决于中微子总是古怪的可能会改变物理学家对自然的理解的可能性。除了光子以外，宇宙中最常见的粒子中微子对我们周围的日常物体没有任何影响。然而，它们可以为深奥的谜团提供线索。中微子和它们的反物质对应物都有三种类型或口味--电子、μ子和τ--取决于它们是如何产生的。例如，电子中微子产生于某些原子核的放射性衰变。μ子中微子是从称为π+介子的瞬间粒子的衰变中飞出来的，这种粒子可以通过将质子束粉碎成目标而产生。这些身份不是固定的：一种中微子可以变成另一种变色龙，因为它以接近光速前进。奇怪的是，有一定风味的中微子没有确定的质量。相反，它是三种不同的“质量态”的量子力学组合。例如，一个衰变的π+喷出形成μ子中微子的质量态的组合。然而，就像齿轮以不同的速度转动一样，质量状态以不同的速度演化，从而改变了这种组合。因此，一个以电子中微子开始的粒子以后可能会以τ中微子出现--这一现象被称为中微子振荡。理论家可以用一种被称为三味模型的数学时钟来解释这一切。它只有几个参数：粗略地说，一种味道振荡到另一种风味的可能性，以及这三种质量状态之间的差异。这幅画有空白。实验表明，两种质量态是接近的，而不是这两种相似状态是否比第三种状态轻或重--这是一个被称为层次问题的谜题。此外，中微子和反中微子可能以不同的数量振荡，这是一种称为电荷平价(CP)的不对称现象。测量这种不对称性是物理学家们所追求的奖励，因为它可以帮助解释早期宇宙中的基本粒子如何产生比反物质更多的物质。由两个矩形容器组成的中微子，每个容器内装满17,000吨液体氩，沙丘将精确跟踪从遥远实验室发射的高能中微子撞击氩核时产生的所有带电粒子。

围绕中微子的环--一个装满26万吨水的地下水箱，内衬着光电探测器，Hyper-Kamiokande将利用声爆的光学等价物探测从数百公里外射出的中微子。

微小的中微子本身并没有使物质-反物质平衡倾斜。相反，根据一些理论，常见的中微子是由大量的“无菌”中微子反映出来的，这些中微子只与中微子相互作用。如果无菌中微子和反中微子也表现得不对称，那么在早期宇宙中，它们的衰变产生的电子可能比反电子(也称为正电子)更多，从而形成了物质的主导地位。维吉尼亚理工学院和州立大学的理论家帕特里克·胡伯(PatrickHuber)指出，看到普通中微子违反CP并不能证明这种情况的发生。但是在普通的中微子中看不到CP的破坏会使假设的重量级不对称的可能性小得多，Huber说。“这不是不可能的，但这是不可能的，”他说。但是，首先，科学家必须确定中微子是否真的表现出这种不对称性。日本和美国的团队都将使用一种成熟的技术来探测中微子的行为。通过将高能质子从粒子加速器撞击到目标产生副脉冲，它们将产生一束μ子中微子，并将其射向一个遥远的地下探测器。在那里，研究人员将计算幸存的μ子中微子和沿途出现的电子中微子。然后，他们将转换为产生一束μ介子反中微子，通过收集π-极小而不是从目标的副脉冲。他们会重复测量，寻找任何差异。

在Microboone中，费米实验室(Fermilab)的一种小型液体氩探测器，能产生带电的中微子粒子，包括电子(长径迹)。

这个实验比听起来难得多，因为其他几个因素可能会造成虚假的不对称。例如，中微子和反中微子光束在强度和能谱上都不可避免地略有不同。为了考虑这些差异，研究人员必须在粒子开始旅程时，在光束源前面放置一个小型探测器，最好是设计尽可能类似于远距离探测器的探测器。中微子本身的物理本身也可能扭曲结果。例如，中微子或反中微子将更强地被它们在飞行到探测器时所穿过的物质所吸收。这种影响的方向取决于层次问题的解决方案。因此，要发现CP违规，物理学家很可能也必须解决等级问题。然而，对所有这些进行分类的最大障碍是，即使是最大的实验，中微子的收获也是微不足道的。和日本同行一样，美国物理学家已经进行了中微子振荡实验，没有νA，它将中微子从Fermilab射入明尼苏达州北部810公里处的探测器。和T2K一样，它只捕获了几百个中微子。超级K将主要通过为中微子提供一个更大的目标来解决稀缺性问题。十年前，这是一个升级版的超级K探测器，由一个78米高和74米宽的圆柱形不锈钢储罐组成，能容纳26万吨的超纯水--是超级K的五倍。要发现中微子，探测器将依赖于声爆的光学等价物。很少情况下，μ子中微子通过水中会把一个中子从氧原子中击出，变成质子，而中微子本身会变成高能μ子。逃逸的μ子实际上会超过水中光速的25%，比真空中慢25%，并产生所谓切伦科夫光的冲击波，就像超音速射流产生的冲击波一样。这种锥形的冲击波会在坦克的侧面投射出一圈光，内衬着光电探测器。同样，电子中微子可以撞击中子产生比μ子轻的高速电子，并且会受到更多的水分子的冲击。结果将是一个更模糊的光环。μ子和电子反中微子可以通过击打质子来产生可探测的反子和反电子，尽管中微子相互作用的效率只有中微子的一半左右。

在超级K中，一个μ子中微子变成了一个μ子，发出一个整洁的光环(第一张图像)。电子中微子产生电子和模糊环(第二图像)。神冈天文台/宇宙线研究所/东京大学

超级K将是日本第三大探测器，全部位于同一矿区。从1983年到1995年，Kamioka核子衰变实验(Kamiokande)，一种3000吨的探测器，试图发现一些理论预测的质子的极度衰变。相反，在1987年，它从超新星中瞥见了中微子--这一进步在2002年获得了诺贝尔物理学奖。1996年，超级K出现在网上。它通过研究宇宙射线撞击大气层时产生的μ子中微子来证明中微子是振荡的。从地面上来的比从天空下来的少，这表明那些穿越地球的人沿途会改变味道。这一发现在2015年分享了诺贝尔奖。乌普萨拉大学中微子天体物理学家艾琳·奥沙利文(Erin O‘Sullivan)说：“(日本物理学家)所做的事情是惊人的。”他是超级K王朝的超级K成员。超K将重用J-Parc的中微子束，目前正在升级，使其功率增加2.5倍。爱丁堡大学和东京大学的粒子物理学家斯蒂芬·普莱费尔(StephenPlayfer)表示，总体而言，它应该以T2K的20倍速度收集数据，并担任该项目的首席技术协调员。在2014年加入Hyper-K之前，他和他的爱丁堡同事也考虑加入沙丘。他说：“当谈到比较谁将首先看到一些东西时，我们认为Hyper-K是一个很好的位置，仅仅是因为它有统计数据，而且它拥有一项众所周知的技术。”超K会有局限性。特别是，它不能精确地测量中微子的能量。这很重要，因为中微子振荡的速度取决于它的能量，而光束包含有一定能量范围或光谱的中微子。如果不能确定每个中微子的能量，实验将无法理解振荡率。为了避免这个问题，Hyper-K，就像目前的实验一样，将依赖于一个技巧。中微子光束自然发散，低能中微子比高能中微子扩散更多。因此，如果探测器稍微位于光束路径的一侧，就会看到能量范围较窄的中微子，它们的振荡速度大致相同。所以，就像超级K，超K会以2.5°的角度从光束轴上坐下来。然后，物理学家可以调整光束的能量，以便中微子在振荡达到最大值时到达探测器。在中微子能量受限的情况下，物理学家基本上计算了到达的μ子中微子、电子中微子及其反物质对应的数量。超K的CP测量可以归结为两个比率的比较：电子中微子与μ介子中微子和电子反中微子与μ介子反中微子。Shiozawa说，工人们已经开始了对Hyper-K的挖掘，这需要3年时间。他说，整个项目将使日本损失约6亿美元，国际合作伙伴将追加1亿至2亿美元。小泽说，探测器将于2026年完成，并将在一年后开始采集数据。超K公司的研究人员对他们的技术如此自信，以至于他们说这个项目最棘手的部分就是挖掘。“我们需要建造世界上最大的地下洞穴”，小泽说。“就技术和成本而言，这是最大的挑战。”如果，在技术上，Hyper-K的数量更多，沙丘的目标几乎是完全不同的。它将使用一种技术，直到最近，它只被用于另一项大型实验，但它应该能让物理学家看到前所未有的中微子相互作用。“对我来说，沙丘的吸引力在于它的精确性，”罗切斯特大学(UniversityofRochester)粒子物理学家克里斯·马歇尔(ChrisMarshall)说。“这是一个世界领先的实验，它所衡量的一切都将处于世界领先地位。”

自2015年以来，沙丘研究人员在欧洲粒子物理实验室(CERN)建立了原型。

沙丘深1480米，深1480米，由两个长66米、宽19米、高18米的矩形坦克组成。其中每一个都含有17,000吨冷却到186°C以下的冷却液体氩，就像在充满水的探测器中一样，中微子可以发射中子--在氩核中--产生一个μ子或电子。但是，从费米实验室到达沙丘的中微子所携带的能量将是流向Hyper-K的能量的10倍。因此，除了μ子或电子，碰撞通常会产生其他粒子的喷动，如介子、介子、质子和中子。沙丘的目标是用一种称为液体氩时间投射室的技术来追踪所有这些粒子--至少是带电粒子。当带电粒子穿过氩时，它会电离一些原子，释放它们的电子。一个强大的电场会将电子横向推进，直到它们撞上三个紧密间隔的平行导线面，每个平面向不同的方向方向。通过注意到当电子撞击电线时，物理学家可以精确地重建原始粒子的三维轨迹。从它产生的电离量，他们可以确定它的类型和能量。细节令人难以置信。电子必须漂移到3.5米，由180千伏的电压驱动。与Hyper-K不同的是，沙丘将直接坐在Fermilab的光束中。因此，它将捕获更大但更混乱的中微子收获，能量范围从小于1千兆电子伏特到超过5千伏。沙丘精确追踪所有粒子的能力应该使它能够做一些中微子物理学中前所未有的事情：测量每个中微子的能量，为中微子和反中微子的每一种味道构建能量谱。由于风味的变化，每个光谱的图本身应该表现出明显的摆动或振荡。Bertolucci说，通过对所有光谱的分析，物理学家应该能够一举确定整个三味模型，包括CP违反量和等级。“它可以测量同一实验中的所有参数，”他说。到目前为止，这项技术还没有得到充分的发展。1977年，意大利诺贝尔奖得主卡罗·鲁比娅发明了液体氩探测器。但直到2010年，在意大利地下的格兰·萨索国家实验室，一个叫ICARUS的实验室捕捉到了一些来自欧洲粒子物理实验室的中微子，欧洲粒子物理实验室，CERN，靠近瑞士日内瓦。中微子物理学家、杜克大学沙丘小组成员凯特·肖尔伯格说，费米实验室和欧洲核子研究中心的研究人员已经开始了一个制造原型的坠机计划，这一计划的效果甚至比预期还要好。她说：“看到即将到来的活动展示是一件令人着迷的事情。”“这只是令人难以置信的细节”

在沙丘原型中，光从紧密间隔的电子捕捉线的平面上闪烁。这些电线有150微米厚，就像浓密的头发。

这种精确性是有代价的。出于会计目的，美国能源部(DOE)将该项目分成两部分。其中之一，长基线中微子设施(LBNF)，包括在Fermilab的新中微子光束和所有基础设施。第二个，沙丘，是一种国际合作，它将建立起探测器的核心。2015年，能源部估计LBNF/沙丘将耗资15亿美元，并将于2027年上线。然而，去年，能源部报告说，出乎意料的建筑成本已将账单提高到31亿美元。探测器应该在2028年完成，LBNF/沙丘-美国的项目主管ChristopherMossey说，但是光束将延迟到2031年早期，有可能使Hyper-K领先两年多。随着合同在手和建设正在进行，沙丘开发商有信心，新的成本和时间表将保持。莫西说，挖掘工作已经超过40%，应该在2023年5月完成。“我们真的在完成重大的、有形的事情。”尽管如此，沙丘物理学家承认，这个项目的风险比超级K。“这是进入未知世界的一次飞跃，这就是你所做的权衡，”肖尔伯格说。“更具变革性的东西肯定会带来更多的恐惧。”这两个实验都有其他的科学目标，比如寻找质子衰变。在那里，Hyper-K有一个优势，Huber说，因为它更大，并且在水分子中氢原子的中心包含了许多单独的质子。如果一颗巨大的恒星像1987年的一颗超新星那样在我们的星系附近崩塌和爆炸，那么另一个诱人的回报可能会到来。肖尔伯格说，这些实验将提供补充性的观测，因为沙丘将看到产生的电子中微子就像核心内爆一样，而超级K将主要看到爆炸后期释放的电子反中微子。然而，这两个实验存在的理由仍然是破解中微子振荡和寻找CP违反。那么，一个赌徒会如何阻碍这场比赛呢？考虑到他们的领先优势，超级K物理学家甚至在沙丘发现它的脚之前就能获得重大发现。如果CP违规行为尽可能大，“那么我们可能在3年内发现它，”小泽说。“而且，我们可能在3年内发现质子衰变。”但是，他说，“这真的取决于自然。”Huber指出，超K被优化以测量CP破坏，假设它很大，三味模型是中微子振荡的最后一个词。这两种假设都不成立。而且，由于其简单的计数技术和较短的基线，除非其他一些实验独立地解决了层次问题，否则该实验很难区分CP违反和物质效应。“超K当然需要更多的外部投入，”胡伯说。

相反，沙丘应该能够自己解决混乱的问题。小泽(Shiozawa)就是其中之一，他没有把对手算在内。他指出，日本的项目本身已经经历了成长中的痛苦，包括从最初的100万吨设计中缩减规模。他说，日本政府不会支持任何增加成本的做法，这会使项目负责人与承包商关系持续紧张。“这两个项目的情况并没有太大的不同。”最终，超级K和沙丘之间的竞争与其说是为了荣耀，不如说是几十年来在不确定性中艰难挣扎。如果是这样的话，这两支队伍的合作可能会和他们的竞争一样多，至少是非正式的。“我们将有很长一段时间，最准确的结果将来自这两个[实验]的结合，”胡伯预测。最诱人的，不是完成目前的理论，结果可能会推翻它。它们可能揭示出与三味模型的偏差，这可能暗示新粒子和新现象潜伏在真空中。毕竟，中微子一再令物理学家吃惊，物理学家曾经认为，这些粒子只有一种类型，而且完全没有质量，而且是惰性的。马歇尔说：“以前，中微子实验告诉我们，我们很少在中微子光束中获取数据，并得到我们预期的结果。”出乎意料的事情可能是一个值得押注的长远目标。

——《SCIENCE》

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