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我们来了解一个国际前沿的粒子物理实验项目：深层地下中微子实验（DUNE），这个实验专门研究中微子和质子衰变。在过去的半个世纪，中微子这种被视作宇宙中最广泛分布的粒子逐渐成为物理学的焦点，因为科学家认为中微子是一窥物质本质的捷径，是解开宇宙进化之谜的钥匙。
% u9 Y) `4 l- i6 Q* {8 P 图1 深层地下中微子实验的探测原理深层地下中微子实验安装有全世界最强的中微子源与两个中微子探头，探头能够探测到粒子之间的相互作用。这个实验横跨两地，中微子发射源位于美国伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加阿速器实验室，探测器位于南达科他州里德的桑福德地下实验室。探头深埋地下1000米，中微子束在地下穿越1300米后被探头捕捉到。实验将帮助科学家研究全新的亚原子现象，有可能改变我们对中微子的理解。 , M8 R8 `2 z$ J2 X! M# @
图2 费米实验室的粒子加速器鸟瞰图3 中微子探测器内部，这个矩形空间将被注满液态氩何谓中微子？ 0 }' H! X! `% e1 o- d
中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号希腊字母v表示。 7 A8 E: k. p, O; `' ?' C# ]" ?* e7 S f
中微子个头小、不带电，可自由穿过地球，自旋为1/2，质量非常轻（有的小于电子的百万分之一），以接近光速运动，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。 % ^1 [* v. T0 [7 i! c; W8 U- v
2013年11月23日，科学家首次捕捉高能中微子，被称为宇宙"隐身人"。他们利用埋在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。 3 |) {# Q" D$ ~5 W) r& `
为何要研究中微子？ ' p0 b& P# Y" C/ ?1 J$ M
在早期宇宙，为何物质压倒反物质最终统治宇宙？超新星大爆发如何产生了构成生命的重元素？质子最终是否会衰变？——这些都是粒子物理学领域的未解之谜，天体物理学家要通过解开这些问题才能理解我们宇宙早年的诞生历程，才能进一步理解她现在的状态和未来的命运。
9 t6 S# v5 k" } 几十年前，中微子有质量这一发现刷新了我们的认知，同时带来更多新的问题，涉及物质、能量、空间和时间。中微子可能正是解开宇宙构成之谜方面扮演了关键性的角色。为何宇宙是由我们身边的这些（正）物质构成，而不是反物质？它们能够帮助我们超越我们的能力，理解我们尚不理解的物理过程。
, B# I- H i; w! Y( P0 m 深层地下中微子实验通过中微子研究三种貌似互不相干的物理现象，那就是：物质与反物质的不对称性，物质的稳定性和超新星的运行机制。 & J$ ^& g+ h; j$ o R" O$ Y. e# n
何谓物质与反物质的对称性？
4 B. H2 }+ i) D( } 在过去的半个世纪中实验表明中微子具有三种状态，就好像是有三种口味的糖果一样，有趣的是这些口味还可以相互转变。这就说中微子的每一种状态都混合了三种不同的非零质量，这就意味着对于物理学而言，超越经典的标准模型指日可待。在一个独立实验当中，深层地下中微子实验就能提供探索这种具有三种状态的中微子物理模型的能力，实际上它将获得史无前例的详细数据。对于物质-反物质的非对称性存在可以想见的潜在发现（通过电荷奇偶校验违规的机制），这些发现应该算是在中微子状态的调和过程中被发现，这是揭示早期宇宙物质生成秘密的关键一步。深层地下中微子实验还能进行未知的中微子质量排序和中微子参数调和的精确测量，这都将为我们带来宇宙基本对称结构的新的认知。 4 \- G2 L+ K8 o" D
因此，处于以下原因我们要研究中微子：
! N. [& n3 h7 x, S$ c 1.物质的稳定性
; `( D7 k( M' U" L7 j% R/ { 大统一理论试图将现有所知的各种力统一到一起，利用诸如深层地下中微子实验这样的新一代地下中微子探测工具，大一统理论就可以预测质子衰变率，增加了自身被验证的可能性。深层地下中微子实验在探测质子衰变方面具有很高的灵敏度，这在地下探测实验类项目中是出类拔萃的。2 n N& t$ t8 U9 k4 ]2 a" o
2.物质的起源 " i/ h% S1 n" Z& A8 e$ O
6 ]0 ~9 m/ G1 i4 y 宇宙为什么是由物质而不是反物质构成的？中微子可能是答案！只要看清楚了中微子的震动方式，深层地下中微子实验就可能颠覆我们对中微子的认知。
8 j0 L! I$ e4 ]' ~ 3.统一场论
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) u; F2 T7 p/ O- U 深层地下中微子实验在地下安装有低温粒子探测器，可以用于研究质子衰变。这将使我们更清楚物质稳定性和力的统一场论之间存在怎样的关系，让我们更接近爱因斯坦的梦想。
7 p4 A2 X) Y. _8 x 4.超新星和黑洞构造
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星发生内核塌缩的前几秒中释放出的中微子能够帮助科学家洞察宇宙变迁的过程。深层地下中微子实验装置能够对银河系超新星发出的中微子信号进行分析统计，这是少有的机会又让我们可以观察新形成的中子星和黑洞的形成。 * ^; y" b0 s" T6 s* O
往期回顾
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