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在中國廣東省地底下700公尺處，一個直徑長達35公尺的球型探測器——江門地下微中子實驗觀測站（Jiangmen Underground Neutrino Observatory,JUNO）正在如火如荼地建構中，此探測器主要用於更精細地觀察被稱為「幽靈粒子」的微中子（neutrinos）。來自中國科學院高等物理研究所，同時也是JUNO現場經理的衡月昆表示，如果一切建造都按計劃進行，耗資3.76億美元的JUNO將在今（2024）年年底建造完成並開始進行微中子的觀測研究，JUNO也將成為全世界第一個上線的微中子觀測器〔註〕。
 

〔註〕日本、美國的微中子觀測器，分別預計於2027、2031年開始收集數據。

 
微中子是組成宇宙的重要成分，可能隱藏著宇宙如何演化的線索。即使微中子是宇宙中含量最豐富的粒子，但它觀察起來卻相當不容易。原因在於它們太輕，且在宇宙漂移的時候幾乎不會和其他的物質產生交互作用，因此難以探測。建造JUNO的主要目標是幫助研究人員解開物理學的其中一個謎團——哪種類型的微中子質量最大／最小？若是能成功解決此問題，將幫助物理學家更加了解微中子的性質。為達成此目標，研究人員將量測兩個距離觀測器50多公里遠的核電廠湧入的物質。此外，他們也預計研究從其他來源流入的微中子，包含太陽、大氣、爆炸的恆星，以及地球內部的自然放射性衰變過程。
 
JUNO自2015年開始動工，建造的地點位於一座花崗岩山下，這座山能作為宇宙射線的屏障，避免來自太空的超強粒子淹沒微弱的微中子訊號。研究人員和建築工人每天需要乘坐15分鐘的纜車，才能抵達目的地沿著長1.3公里的陡峭隧道在控溫大廳內建造觀測器。目前JUNO的球體已完成大約2/3，且很快就會浸入3萬5000噸的超純水（ultrapure water, high-puritywater）中，進一步保護觀測器免於背景輻射的影響。此外，JUNO恰好位於兩個核電廠之間，兩個核電廠將提供JUNO質量與中微子相同、穩定的反電微中子（electron antineutrino）。這些發電廠產生的巨量粒子將使研究人員有機會針對微中子的質量做出更精確的測量。
 
今年3月7日，觀測站的研究人員開始在微型版JUNO（稱為OSIRIS）中填入液態的閃爍體（scintillator）〔註〕，藉此確認閃爍體的純度是否足夠，且能用來進行微中子的質量判定。為什麼需要先做這件事？由於鈾（uranium, U）、釷（thorium, Th）等放射性元素在衰變時，可能會與其他訊號共同產生類似微中子出現的事件並破壞實驗結果，因此必須事先確保閃爍體的純度，使閃爍體中僅含有微量的鈾、釷元素。JUNO的團隊成員、來自義大利帕多瓦大學（University of Padua）物理學家加爾法尼尼（Alberto Garfagnini）表示，如果這些放射性元素的含量太高，觀測器將無法靈敏地感測到微中子並測量它的質量。因此為了確保後續研究能順利進行，JUNO團隊另外又建構了微型的OSIRIS探測器，以確保閃爍體被泵入JUNO主探測器之前，具有一定的純度。一旦兩萬噸閃爍體液體全部灌入JUNO中，即便發生問題也無法再重新來過，因此這個檢測步驟至關重要。當閃爍體通過放射性純度測試後，它將被匯入主探測器，整個過程約為六個月。
 

〔註〕一種由溶劑、有機化學物質組成的混合物，當微中子穿過其中時會發光。

 
由於微中子的質量太小、無法直接檢測，因此物理學家轉而測量微中子與物質產生相互作用時產生的其他粒子的能量，藉此進一步計算微中子質量。以JUNO為例，當反電微中子撞擊閃爍體中的質子（proton）時，它們之間的交互作用將產生正電子（positron）和中子（neutron），此過程又稱為逆β衰變。此時，來自正電子的能量會產生一道閃光，而中子則會在被質子捕獲時產生另一次閃光。這些間隔約200微秒（μs）的明顯閃光，將被球體覆蓋著的四萬多個氣泡形光電倍增管（photomultiplier tube）測量。透過計算閃光之間的時間差，研究人員可以從雜亂的背景訊號中分離出微中子訊號。JUNO的研究人員也期望能在未來六年內，探測到十萬個微中子。
 
微中子的探測方式其實不只一種。日本預計建造的頂級神岡探測器（Hyper-Kamiokande detector）將使用純水作為微中子的探測介質；而美國的地下深處微中子實驗（Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE）則依靠液態氬測量難以捉摸的微中子。就如同觀測宇宙時，天文學家會使用多種波段的望遠鏡進行觀測一般，以多種不同觀測技術的微中子探測器，將能觀察到來自不同來源（例如太陽、核電站）的中微子，令研究人員能夠更好地了解微中子的特徵與它在宇宙中的作用。

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新聞來源
Conroy, G. (15 March 2024). China's giant underground neutrino lab prepares to probe cosmic mysteries. Nature, https://www.nature.com/articles/d41586-024-00694-5.