在美国中西部隐藏着一个探索宇宙奥秘的科研基地——费米国立加速器实验室（简称费米实验室）。这里，科学家们利用先进的粒子加速器技术，对基本粒子展开深入研究，试图解答人类存在的终极谜题。高能粒子束以接近光速的速度在地下隧道中运行，它们的使命是探测那些构成宇宙基石的微小粒子——中微子的秘密。

费米实验室坐落在伊利诺伊州芝加哥附近，自1967年6月15日投入运营以来，便成为美国高能粒子物理研究的重要基地。作为美国能源部下辖的17座国家实验室之一，费米实验室致力于中微子的性质研究，这种看似微不足道却可能蕴藏着宇宙起源奥秘的粒子。

费米实验室占地27.5平方千米

中微子，这种基本粒子，与电子相似，但质量更小且不带电荷。它们无处不在，以接近光速的速度穿过我们的身体，每秒约有100万亿颗中微子穿过人体。尽管极难直接观测，但中微子在宇宙演化中扮演着重要角色。科学家认为，在宇宙大爆炸之后，物质与反物质原本等量共存。然而，某种机制使得物质最终占据了上风，形成了今天的宇宙结构。费米实验室的粒子加速器正是为了研究这一物理过程而设计的，它能够产生中微子和反中微子，通过研究它们的行为，可能找到宇宙演化的线索。

太阳产生的中微子带走了约2%的核聚变能量，费米实验室的加速器每秒可产生约100万亿颗中微子。

为了研究中微子的性质，费米实验室开展了一系列重要实验。从20世纪90年代末的“DONUT”实验，到2005年的“MINOS”实验，再到2014年启动的“NOvA”实验，这些研究都是对基本粒子物理的深入探索。

NOvA实验使用的粒子加速器系统

NOvA实验是费米实验室的重要项目，其规模和技术处于粒子物理领域的前沿水平。实验通过加速器将质子束以极高能量射向800多千米外的明尼苏达州阿什河，那里安装着一座重达14000吨的探测器。这些质子束在衰变过程中产生中微子，不需要任何隧道，直接穿透地球。

NOvA远端探测器是目前最大的塑料闪烁体探测器。

这座探测器内部装有精密的光纤和塑料闪烁体，以及1.14万立方米的液体闪烁体。当中微子与探测器物质相互作用时，会产生可探测的信号。探测器采用低温技术，工作温度维持在零下15摄氏度。整个设备的总重量达28200吨，需要专用设备进行运输。

NOvA实验的主要目标是研究中微子的味振荡现象。中微子具有极弱的相互作用能力，因此很难被探测。通过质子束撞击靶材产生的次级粒子衰变，可以产生中微子束流。当中微子与探测器物质发生相互作用时，产生的信号会被记录下来。物理学家通过分析这些数据，研究中微子振荡的规律。

物理学家确认中微子存在三种味态：μ子型、电子型和τ子型。中微子属于轻子家族，在传播过程中会在这三种状态之间转换。理解这种振荡机制对认识中微子的性质至关重要。

NOvA实验是更深入研究的基础。科学家希望进一步了解中微子的振荡特性，甚至探索可能存在的第四种中微子。英国伦敦大学学院和萨塞克斯大学等研究机构也参与了数据分析工作。

全球有多处中微子探测器，包括欧洲核子研究中心（CERN）和南极冰立方（IceCube）中微子天文台。

NOvA实验将持续运行至2024年，之后将被“深层地下中微子实验”（DUNE）取代。DUNE于2017年7月启动，将成为美国重要的国际科学实验。它将产生更高强度的粒子束，传输至1300公里外的南达科他州利德的桑福德地下研究中心。“长基线中微子设施”正在建设中，预计2022年完成。欧洲核子研究中心也在建设配套探测器。

得益于“质子改进计划”（PIP-Ⅱ），费米实验室的加速器将进行升级，为DUNE实验提供更强的束流。PIP-II采用新型超导加速器技术，能产生比现有装置高60%的质子束能量，这将显著提高中微子产量，推动粒子物理研究。

在费米实验室的科学家看来，中微子是研究宇宙奥秘的重要工具。随着技术进步，人类有望揭开中微子的物理特性，深化对宇宙的认识。这些研究始于美国中西部的这个实验室，并将继续推动科学前沿的发展。

技术人员在检查费米实验室的探测器

下一期，我们将继续介绍费米实验室的中微子研究。

文中图片均来源于《How it works》杂志

作者：《how it works》科普团队

审核：梁忠伟 中国机械学会微纳制造、智能运维专委会理事、中机联绿色制造专委会常务委员

来源: 科普中国创作培育计划

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