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日本将建成世界上最大的中微子探测器

来源:环球科学
中微子与水原子碰撞时发生的微弱闪光(图片来源:wiki)
据参与实验项目的科学家们说,12月13日,日本内阁通过了一项耗资十亿日元的中微子探测器建设计划。在此之后,日本将建成历史上最大的中微子探测器。Hyper-Kamiokande探测器能容纳260,000吨超纯水,其含水量是Super-Kamiokande探测器巨大含水量的五倍以上。这一新探测器将建在Hida市Kamioka矿附近一个巨大洞穴内。物理学家希望它能促进关于中微子这一普遍存在粒子的开创性发现。
Hyper-K探测器的巨大尺寸将使其能够检测到各种来源产生的众多中微子,这些来源包括宇宙射线,太阳、超新星和现有粒子加速器人工产生的波束。除了捕获中微子外,它还将监测水中原子核里质子可能的自发衰变,如果能被观察到,这将是一个革命性的发现。
尽管,目前日本政府尚未就批准事宜发表正式声明,但几位相关科学家告诉《自然》杂志,在本周五的会议上,日本内阁已经批准了第一笔 35 亿日元(约合3.2亿美元)的建设预算,作为本财年(截至3月份)追加预算的一部分。
预算需要得到国会的批准。日本物理学家说,该预算很可能在下个月获得日本国会的通过。
一项巨大的工程
东京大学中微子物理学家、本次项目共同领导人Masato Shiozawa说,这一探测器的建设预计要花费649亿日元,约合60亿美元,还需要73亿日元用来升级距此300公里外东海地区产生中微子束的J-PARC 加速器。
日本政府将提供75%的项目经费,而余下的将由国际合作伙伴提供。英国伦敦国王学院的物理学家、该项目共同领导人Francesca Di Lodovico说,包括美国、加拿大在内的几个国家将参与该项目,但他们的经费资助规模还未确定。
Hyper-K探测器将由一个高71米、宽68米的鼓棒状槽组成。在距离现今神冈核电站8公里的地方用炸药挖出一个放置槽的空间,以避免震动干扰即将开始运作的KAGRA引力波探测器。神冈的选址是几十年前确定的,因为那里有现成的采矿设施和高质量的岩石,还有充足的淡水供应。
与Super-K探测器一样,Hyper-K探测器内部的水箱将布满一种叫做光电倍增管的感光探测器。当中微子在水中与原子碰撞时,它们会捕捉到微弱的闪光,从而使带电粒子高速射出。Hyper-K探测中微子将是21世纪20年代开始的主要的三项下一代中微子实验之一。其他项目分别是2025年将在美国开始的深层地下中微子实验(DUNE),以及预计在2021年开始收集数据的中国江门地下中微子观测站(JUNO)。
精密测量
12月16日在伦敦举行的一次会议上,东京大学的物理学家Takaaki Kajita说,中微子物理学家都对建设Hyper-K探测器感到兴奋,因为它能够用来研究中微子和反物质反中微子的行为差异。这种不对称性可能有助于解释为什么宇宙中充满物质,而反物质却很少。Kajita曾与他人因共同发现了中微子振荡现象而获得了2015年诺贝尔物理学奖。
Super-K探测器已经检测到了这种差异的迹象,但是Hyper-K探测器和DUNE实验都应该能够使用两种不同的技术进行高精度测量——DUNE将使用液氩而非水——这是一个重要的交叉检验。“它们有相似的敏感性,但对我来说,互补性是一个重要的方面。”Kajita说。
但是Hyper-K探测器有望实现的最大发现还是质子衰变,东京大学的物理学家和Hyper-K项目发言人Masayuki Nakahata,说,Hyper-K探测器是一个由日本和美国领导的国际合作项目。在此之前,质子的衰变从未被观测到。因此,如果它真的发生了,那也将是极其罕见的,这意味着质子的平均寿命很长,超过1034年。
目前粒子物理学的标准模型并不认同质子衰变,但是许多提出要取代它并统一自然基本力量的理论确实预测了这种现象。因为Hyper-K探测器监测的水的体积比Super-K探测器多得多,因而它将有更高的几率观测到质子衰变。如果它没有探测到这种现象,质子平均寿命的极限将增加十倍。
作者:Davide Castelvecchi,《自然》杂志驻伦敦高级记者,主要报道物理学、天文学、数学和计算机科学。
翻译:林华英
审校:黄静
引进来源:科学美国人
引进链接:https://www.scientificamerican.com/article/japan-will-build-the-worlds-largest-neutrino-detector2/

本文来自:环球科学
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