就在前兩週，日本高能加速器研究機構（KEK）在官網上宣佈，高能物理學界最為重要的工程之一——

這個拗口的大工程是做什麼的？簡單說來，就是要在地下挖出一個大洞，在洞裡建造世界上最大的“水缸”作為探測器，以此來追尋宇宙的“幽靈粒子”——中微子的蹤跡。

頂級神岡探測器效果圖 | 頂級神岡官網

世界上最大的水缸

頂級神岡，這個名字聽起來真是又唬人又中二。更有意思的是，頂級神岡還有兩個“長輩”，分別叫神岡（Kamiokande）和超級神岡（Super-Kamiokande）。三個探測器都建在日本岐阜縣飛驒（tuó）市深達1千米的廢舊礦井中，名字來源於礦井所在的神岡礦山。

神岡探測器建於1983年，後來為了提高精度，就在隔壁建造了更大的超級神岡。現在物理學家又想升級超級神岡，於是便有了幾公里外的新一代頂級神岡——如果還想造個更大的，怕是英文單詞都不夠用了。

神岡探測器“祖孫三代”（從左到右為神岡、超級神岡、頂級神岡）| 超級神岡、頂級神岡官網

神岡探測器祖孫三代非常相似，主體設施都是一個“大水缸”，其中最新一代的頂級神岡探測器建成後，還將成為世界上最大的水箱。最大是有多大呢？按照設計，頂級神岡探測器是一個直徑68米、高度71米的巨大圓柱體，比巴黎聖母院的正面雙塔還要高。這個圓柱體能儲藏26萬噸水，如果都是飲用水的話，足夠400多萬人喝整整一個月。

頂級神岡的大水缸比巴黎聖母院的正面雙塔還要大 | Twitter@Michel Gonin

不過，水缸裡面裝的可不是我們平時用的自來水，而是幾乎不含任何雜質的純水。水還要求足夠清澈，透明度能達到100多米。這種純水也不是一般認為的無色，而是帶有一點藍色，和熱帶淺海的顏色有點相像。

藍色的超純水 | 超級神岡官網

除了超純水，水缸的內壁還會佈滿一種特殊的儀器——光電倍增管，就是下圖長得像電燈泡的大傢伙。光電倍增管就像獵手敏銳的眼睛，具有極高的靈敏度和超快的響應速度，能夠把微弱的光信號放大很多倍後轉化為電信號。頂級神岡的大水缸會在內壁裝上多達4萬多個直徑50釐米的光電倍增管，來檢測水中產生的信號。

最敏銳的眼睛——光電倍增管 | 日本濱松光子學株式會社官網 & 超級神岡官網

頂級神岡探測器的還沒正式開工，我們不妨通過它的前輩——超級神岡探測器來體會一下建成後的景象。超級神岡的水缸直徑41.4米、高度39.3米，大小隻有頂級神岡的一半，但內部的景觀已經非常壯觀：工作人員檢修儀器需要划船，彷彿是在湖中泛舟；牆壁上的光電倍增管密密麻麻地排列，像是佈滿泡泡的氣泡膜，又像是來到了一座巨大的蜂房。

超級神岡尚且如此龐大，更不用說到時候規模會擴大一倍的頂級神岡了。

超級神岡內景 | 超級神岡官網

工作人員在超級神岡內部檢修光電倍增管 | 超級神岡官網

如此宏大的工程，造價自然也是不菲的。頂級神岡項目第一年的建設預算為35億日元（約合2.23億元人民幣），而建造“大水缸”探測器的總花費更是達到了

不過看到這，你肯定已經產生了這個疑問：又是建大水缸，又是在裡面注純水，又要在內部裝上幾萬個光電倍增管，為什麼花這麼多錢建造頂級神岡呢？

“幽靈粒子”中微子

我們所在的物質世界是由各種基本粒子構成的，其中有大家熟知的原子、電子，也有變化多樣的介子、夸克等等，頂級神岡想要探測的中微子也是粒子大家族中的一員。

不過，中微子有著非常奇特的性質：它的數量極其之多，是宇宙中數量最為龐大的粒子之一，卻幾乎不和物質發生反應，很難被儀器探測到，這也是外號“幽靈粒子”的由來——漫遊整個宇宙，卻又不留痕跡、來去無蹤。

中微子是一種數量極多、質量極輕的基本粒子 | Fermilab

舉幾個魔幻的例子：此時此刻，每秒就有1萬億個中微子正在穿過你的身體，而你卻渾然不知，身體也不會受到任何影響，窮盡人的一生，可能才會有1箇中微子與身體某個部位的原子發生反應，釋放幾個無關緊要的光子；在更大尺度上，

穿透地球的太陽中微子發生反應的概率只有十萬億分之一 | Fermilab

既然中微子像幽靈一樣來無影去無蹤，我們怎樣才能證明它的存在呢？一種辦法便是建造像頂級神岡探測器這樣的大水缸。

中微子有極小的概率與純水的氫原子或氧原子反應，產生的高能粒子會在水中留下“幽靈的腳印”——切倫科夫輻射光。這些光信號如果被光電倍增管接收，就會放大成電信號，也就間接探測到了中微子的痕跡。

中微子與“大水缸”中的純水發生反應，產生的光信號會被光電倍增管接收｜超級神岡官網

中微子這個“幽靈”與各種物質（當然包括純水）實在是太難反應了，日本的物理學家想了一些對策來提高反應概率：水缸必須建造在很深的地下，用岩石抵擋宇宙射線；水缸裝的水要足夠純淨透明，才能保證切倫科夫輻射光能被準確地記錄下來。

切倫科夫輻射會在粒子前進方向形成光環（圖中綠邊圓形）是中微子在水中留下的“腳印” | 超級神岡官網

說到底，為什麼物理學家如此想方設法探測中微子的蹤跡呢？

簡單來說，這是為了更精確地測量中微子的性質。中微子有種特性叫做“中微子振盪”：中微子會像變色龍一樣在三種類型之間相互轉換。人們有望藉助頂級神岡探測器來確定這三種中微子的質量順序，並研究中微子振盪產生的一種叫做“CP破壞”的物理現象。對CP破壞的解釋有可能破解宇宙的物質遠遠多於反物質的難題。同時，探測器還能接收到宇宙天體和超新星爆炸產生的大量中微子，以此來研究天體本身的性質。

中微子振盪現象，三種類型中微子會相互轉換 | 諾貝爾獎官網

其實，除了追蹤中微子，建造頂級神岡探測器還有一個目的，那就是進一步尋找前兩代神岡探測器都沒能發現的質子衰變現象，不過限於篇幅，在這裡就不展開介紹了。

追尋中微子的“三駕馬車”

除了頂級神岡，還會有兩個中微子實驗項目將在未來十年裡建成，它們分別是中國的江門地下中微子實驗（JUNO）和美國的深層地下中微子實驗（DUNE）。這三大實驗都是通過在很深的地下儲藏數量龐大的靶物質（能夠與中微子發生反應的物質）來探測中微子的蹤跡，可以說是本世紀20年代中微子研究的“三駕馬車”。

中國的JUNO、美國的DUNE和日本的頂級神岡將成為未來十年追尋中微子蹤跡的三大實驗工程

JUNO的探測器埋在地下700米，是一個浸在大水池裡的“水晶球”。這個有史以來最大的空心有機玻璃球將會裝滿一種名為“液閃”的液體，液閃由烷基苯和一些配料組成，透明、放射性低，能更準確地探測到中微子留下的痕跡。而美國的地下中微子實驗的主體是一個作為“中微子槍”的粒子加速器和兩個探測器，其中較遠的探測器將會裝有4萬多噸的液態氬，與中微子反應的概率會更大。

江門地下中微子實驗 | JUNO官網

美國深層地下中微子實驗| DUNE官網

在探尋中微子方面，“三駕馬車”各有所長。中科院高能物理研究所研究員曹俊在接受《科技日報》記者採訪時表示，頂級神岡實驗能精確研究正反中微子行為差異，在超新星中微子和質子衰變研究上也將表現最好；江門中微子實驗將最早投入運行，有望率先測量質量順序，在精確測量振盪參數上有不可替代的優勢；美國地下中微子實驗則主要研究中微子質量順序和正反中微子的行為差異。三大中微子實驗能起到很好的互補作用，共同為人類揭開中微子奧秘、追溯宇宙起源邁出堅實的一步。

最後值得一提的是，頂級神岡的前兩代探測器與諾貝爾獎有著很深的淵源：日本物理學家小柴昌俊因神岡探測器捕獲超新星中微子榮獲2002年諾貝爾物理學獎，他的弟子梶田隆章又在2015年因超級神岡探測器發現中微子振盪現象獲得了這一獎項。不知道未來的某位諾貝爾獎得主，會不會就在頂級神岡、JUNO和DUNE這三大中微子實驗當中誕生呢？

DUNE探測器模型內景，中微子研究的黃金時代已經到來 | CERN

參考文獻

[1]http://www.hyper-k.org/en/index.html（頂級神岡項目官網）

[2]https://www.kek.jp/en/newsroom/2020/02/12/0930/

[3]劉霞.日本“頂級神岡”中微子探測器項目正式啟動.科技日報,2020-2-16

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Hyper-Kamiokande

[5]Abe K, Anghel I, Playfer S, et al. Hyper-Kamiokande design report[R]. 2018.（頂級神岡項目設計報告）

[6]https://www.nature.com/articles/d41586-019-03874-w

[7]高博.中國正在造12層樓高的水晶球，要逼幽靈粒子現身.科技日報,2019-3-20

[8]http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html（超級神岡項目官網）

[9]https://www.dunescience.org/ （DUNE官網）

[10]http://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/（JUNO官網）

[11]https://neutrinos.fnal.gov/

[12]https://www.youtube.com/watch?v=gKO8f79Ekew

[13]https://cerncourier.com/a/japan-eyes-up-its-future/

[14]https://cerncourier.com/a/viewpoint-a-golden-age-for-neutrinos/

如有需要請聯繫[email protected]

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