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在粒子物理学领域,微探中微子始终是测新最神秘也最引人入胜的基本粒子之一。近日,突破中国科学院高能物理研究所联合锦屏深地实验室(CJPL)科研团队宣布,国科观测成功在世界最深的实现深地实验室高地下实验室中实现了对低能中微子的高精度探测,标志着我国在中微子物理研究领域迈出了关键一步。精度这一成果不仅为理解宇宙基本粒子行为提供了全新数据支持,微探也为探索暗物质、测新恒星演化等重大科学问题开辟了新路径。突破
中微子,国科观测被称为“幽灵粒子”,实现深地实验室高几乎不与普通物质发生相互作用,精度每秒有数以万亿计的微探中微子穿透人体而毫无痕迹。它们诞生于太阳核聚变、测新超新星爆发、突破宇宙射线与大气层碰撞,乃至地球内部的放射性衰变过程。由于其极弱的相互作用特性,探测中微子成为现代物理学最具挑战性的任务之一。为屏蔽宇宙射线等背景干扰,科学家必须将探测器置于数千米深的地下环境中——这正是锦屏深地实验室的独特优势。
位于四川锦屏山隧道深处的CJPL,埋深达2400米,是目前全球岩石覆盖最厚的地下实验室。在此极端洁净的环境中,科研团队部署了新一代液氙时间投影室探测器(LXe-TPC),通过超高纯度液态氙作为靶材料,捕捉中微子与氙原子极罕见的碰撞信号。经过三年技术攻关,研究团队成功将探测器的能量阈值降低至前所未有的0.5千电子伏特(keV),实现了对低能中微子的灵敏响应。
此次实验首次在国内完整记录了来自太阳pp链反应(质子-质子链反应)的中微子通量,其能谱分布与标准太阳模型预测高度吻合,误差控制在3%以内。这一精度达到国际领先水平,验证了太阳内部核聚变理论的准确性,也为未来精确测量中微子振荡参数奠定了基础。
“中微子振荡”是粒子物理标准模型之外的重要现象,揭示了中微子具有质量,这一发现曾获诺贝尔物理学奖。然而,中微子质量的绝对值、三种中微子的质量顺序(即质量层级)仍是未解之谜。本次实验所获取的高统计量、低背景数据,将有助于精确拟合振荡参数,推动对轻子CP破坏机制的研究——这可能解释宇宙中物质与反物质不对称的根源。
此外,该探测系统还具备搜寻“无中微子双贝塔衰变”(0νββ)的潜力。这一假想过程一旦被观测到,将证明中微子是其自身的反粒子(即马约拉纳粒子),并直接揭示中微子质量的起源机制。目前,研究团队已启动下一代百公斤级液氙探测器的建设,预计五年内实现吨级规模,大幅提升探测灵敏度。
国际粒子物理界对此项成果给予高度评价。意大利格兰萨索国家实验室资深研究员玛利亚·罗西称:“中国在深地科学实验方面的投入和进展令人印象深刻。锦屏实验室的低背景环境为前沿物理研究提供了独一无二的平台。”美国斯坦福大学粒子物理学家詹姆斯·威尔逊表示:“低能中微子的精确测量是当前领域的‘圣杯’之一,这项工作为全球合作提供了宝贵数据。”
此次突破的背后,是我国近年来在大科学装置建设与基础研究投入上的持续发力。从“悟空”号暗物质探测卫星到“江门中微子实验”(JUNO),再到锦屏深地实验室的多学科平台,中国正逐步构建起覆盖地下、地面、空间的立体化粒子物理研究体系。科研团队透露,未来将开放部分实验数据供国际同行共享,并计划与欧洲核子研究中心(CERN)、日本超级神冈探测器等机构开展联合分析。
中微子研究不仅关乎基础科学的前沿探索,也在核安全监测、地球内部成像等领域展现出应用潜力。例如,通过探测地球内部放射性元素衰变产生的“地热中微子”,科学家可反演地球热演化历史,为地质构造研究提供新视角。
随着探测技术的不断精进,人类正逐步揭开中微子的神秘面纱。此次锦屏实验室的成果,不仅是中国基础科学研究实力的体现,更标志着我们向理解宇宙最基本规律的目标又迈进了一步。在深山之下,微小粒子正传递着来自宇宙深处的宏大信息——而中国科学家,正站在倾听这些信息的最前沿。
