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Military版 - 中微子，关乎宇宙起源之谜

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日本“顶级神冈”中微子探测器项目已正式启动，计划于2027年开始收集数据。该项目
由日本主导、英国和加拿大等国参与，目的是阐明物质的起源及基本粒子的“大统一理
论”，揭开宇宙起源之谜。
中微子是宇宙中数量最多的基本粒子之一。基本粒子是已知的最小粒子，它们不能像原
子那样被分成更小的粒子，是构造宇宙中一切的基本元素。而中微子又是最轻的物质粒
子，迄今还未能测出它的确切质量，但至少比电子还要轻100万倍。它们无处不在，如
太阳发光、核反应堆发电、岩石的天然放射性衰变等核物理过程中都会产生，就连我们
每个人也会因体内的钾—40衰变而每天发射约4亿个中微子。
中微子的最大特点就是几乎不与任何物质反应。不管是人体还是地球，在它看来，都是
极为空旷、可以自由穿梭的空间。我们感觉不到它的存在，科学上探测也极为困难。因
此，中微子的发现和研究过程，饱含着几代科研人员的心血。
1930年，奥地利科学家泡利为了解释原子核衰变中能量似乎不守恒的现象，预言了中微
子的存在，认为就是这种“永远找不到的粒子”偷偷带走了能量。经过20多年的寻找，
美国科学家科万和莱因斯终于在核反应堆旁探测到中微子，证明了它的存在。莱因斯因
此获得了1995年诺贝尔物理学奖。
1968年，美国科学家戴维斯在地下1500米深的废弃金矿中进行实验，首次探测到了来自
太阳的中微子，证实太阳无穷无尽的能量来自氢核聚变。1987年，日本科学家小柴昌俊
在第一代神冈实验中，探测到了来自超新星的中微子。他们二人因此都获得了2002年诺
贝尔物理学奖。此后，戴维斯进一步提高测量精度，却发现太阳中微子的数量比理论预
言的要少得多，被称为“太阳中微子失踪之谜”。此后，小柴昌俊的学生梶田隆章发现
，宇宙射线在大气层中产生的中微子也比预期少，称为“大气中微子丢失之谜”。
中微子为什么比预计的少？1998年，梶田隆章在升级后的第二代神冈实验中发现，大气
中微子比预期少，是因为在飞行过程中自发变成了其他种类的中微子，这一现象就是中
微子振荡。他也因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。
中微子振荡现象证明了中微子有质量，尽管质量极其小，但会影响宇宙的起源和演化。
根据已知的物理规律，在宇宙早期，正反物质应该成对产生，数量是一样的。但在现在
的宇宙中，并没有发现大量反物质存在的迹象。为什么宇宙只由正物质构成？反物质到
哪里去了？这是宇宙起源必须回答的关键问题。中微子振荡会带来一个意外的结果，即
正反粒子的行为可以不一样，很有可能造成反物质消失。因此，全面了解中微子振荡，
是破解“反物质消失之谜”的重要一环。
由于中微子难以探测，解决这些谜团需要巨大的探测器，获取更精确的数据。日本前两
代神冈实验坚持自己的优势方向，掌握核心技术，持之以恒地探索，取得了巨大突破。
此次启动的第三代实验“顶级神冈”将建造一个26万吨的水探测器，造价约8亿美元。
此前，中国的江门中微子实验和美国的深层地下中微子实验也已开始建设。三个实验间
既竞争又互补，联合分析能显著提高发现能力。新一代的中微子实验，也许有一天可以
揭开宇宙起源的谜题。（作者为中国科学院高能物理研究所副所长）

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