2020年6月19日 星期五

中微子地下實驗室

中微子探測器

  近年來我的家鄉,作為大灣區一員,在科研人才發展得很快,除涉及日常生活應用外,很罕有的是中微子實驗項目的建成,據悉2021年有望首次測定中微子質量順序。
  實驗運行後,不僅能對理解微觀的粒子物理規律做出重大貢獻,也將對宇宙學、天體物理乃至地球物理做出重大貢獻,其項目經驗對未來中國發起國際大科學計劃和工程有重要參考價值。
  中微子是一種不帶電、質量極其微小的基本粒子,占構成物質世界的已知的12種基本粒子的四分之一;中微子無處不在,在微觀粒子物理和宏觀宇宙起源及演化中扮演著極為重要的角色。由於中微子僅參與非常微弱的弱相互作用,除非通過超大體積和超級靈敏的粒子探測器,否則難以被察覺到。
  2018年,位於南極的冰立方中微子實驗(ice cube)就首次發現來自於獵戶座40億光年以外的耀變體中微子,證明了其中心有超級黑洞的活動星系核,確實可以加速宇宙射線到幾萬萬億電子伏特,比目前人類最強大的加速器高幾千倍。這一發現,被《科學》雜誌遴選為2018年國際最重大科學突破之一。
三類中微子相互轉變

  中國在中微子探索領域處於全球第一方陣。中國科學家主導的大亞灣中微子實驗於2012年發現第三種全新的中微子振盪模式,完善了對三類中微子相互轉變的理解,也因此獲得2015國際基礎物理突破獎(北京時間2015年11月9日上午,作為目前全球獎額最高的科學獎項,被譽為科學界“第一巨獎”的“生命科學突破獎”揭曉了其新一屆獲獎名單:中國科學家王貽芳作為大亞灣中微子項目首席科學家獲得“基礎物理學突破獎”——這也是中國科學家首次獲得該獎項),以及2016年國家自然科學一等獎及基礎物理學突破獎。(因在中微子振盪上的基礎性發現與探索,揭示了超越甚至遠遠超越粒子物理標準模型的新前沿,大亞灣實驗合作組及其負責人與另外4個實驗組分享了2016年度基礎物理學突破獎。)
  中科院高能物理研究所牽頭的江門中微子實驗(Jiangmen Underground Neutrino ObservatoryJUNO)位於廣東江門市開平附近埋深700米的地下實驗室內。該實驗的核心是一個直徑35米、重2萬噸,具有超高純淨度和國際最好能量精度的液體閃爍體中微子探測器。通過測量來自廣東陽江和台山核電站的中微子,實驗可以來測定中微子質量順序、精確測量中微子振盪,同時開展對超新星中微子、大氣中微子、太陽中微子、地球中微子、惰性中微子、核子衰變、暗物質間接探測等前沿方向的研究。該項目目前由來自17個不同的國家和地區、77個高校與科研院所、600多位科研人員組成。
  項目副發言人之一、意大利國家核科學研究所資深研究員吉爾切諾·拉努奇表示,在世界幾個最大規模的中微子實驗項目中,江門中微子實驗有望首次測定中微子質量順序,對三類中微子振盪參數的完備性測量也將達到前所未有的1%精度。在基礎研究基礎上,帶動國內新型建築、化工工業、特種材料、特種分析測試儀器、光敏探測、微電子等相關高科技企業的核心技術創新。
         早前李政道研究所承辦的第十三屆江門中微子實驗國際合作大會於2019年1月14日在上海交通大學舉行,全球中微子科學家雲集,他們將對實驗中各子系統的準備情況和接口設計開展嚴格的內部評審,逐一評估是否可以滿足實驗的科學需求,並確定未來各國研究單位的任務和時間表。
  據悉,大會之後,江門中微子實驗首屆國際科學諮詢委員會會議接著於11920日在上海召開,來自日本東京大學、美國杜克大學、意大利SISSA研究所、德國慕尼黑工大、俄羅斯杜布納聯合核子研究所等世界頂尖學者們聽取各個課題負責人的報告,對實驗項目的科學和實驗方面提出諮詢意見。
         看完這則新聞,中國為何作出這樣的研究?是否對宇宙學、天體物理乃至地球物理真的做出重大貢獻?早前談及量子通信與量子力學有關連,原來母校中大物理系教授朱明中早於2013年已開始帶領香港跨院校團隊參與CERN的超環面探測器(ATLAS)大型國際粒子對撞實驗。香港大學和香港科技大學的科研人員也參與其中。
  香港研究團隊最近獲得香港大學教育資助委員會撥款約7800萬港元,將於6月開始擴展在ATLAS的工作,包括為探測器升級和分析數據、探尋新物理和理論、發展相關計算科技,以及參與內地擬建的電子對撞機的前期研究工作。
  目前CERN的大型強子對撞機(LHC)和ATLAS探測器正在進行為期兩年的重大升級,香港研究團隊將研發全新讀取晶片和研究它們抗輻射的能力,以提升ATLAS探測器的偵測敏感度和收集數據能力。
  朱明中表示,他們團隊的實驗成果,將來可用於研發能抵禦強大輻射的電子晶片,長遠能應用在航天科技上,例如人造衛星在太空中接收很多輻射,可能會影響運作,抗輻射晶片便可應用其中。另外,實驗成果也可應用於醫療影像形成技術,就像現在的X光,有助於診斷。
  他表示,團隊將抓緊探測器升級的機遇,進一步擴展團隊和參與項目,並參與下一代粒子對撞機,包括內地擬建的高能環形正負電子對撞機的前期研究,促進內地與香港的科研合作。

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