下列那些是現有的高能中微子實驗裝置

① 中微子的研究過程

1930年，奧地利物理學家泡利提出存在中微子的假設。1956年，柯溫（C.L.Cowan）和弗雷德里克·萊因斯利用核反應堆產物的β衰變產生反中微子，觀測到了中微子誘發的反應：
這是第一次從實驗上得到中微子存在的證據。
泡利的中微子假說和費米的β衰變理論雖然逐漸被人們接受，但終究還蒙上了一層迷霧：誰也沒有見到中微子。就連泡利本人也曾說過，中微子是永遠測不到的。在泡利提出中微子假說的時候，我國物理學家王淦昌正在德國柏林大學讀研究生，直到回國，他還一直關心著β衰變和檢驗中微子的實驗。1941年，王淦昌寫了一篇題為《關於探測中微子的一個建議》的文章，發表在次年美國的《物理評論》雜志上。1942年6月，該刊發表了美國物理學家艾倫根據王淦昌方案作的實驗結果，證實了中微子的存在，這是這一年中世界物理學界的一件大事。但當時的實驗不是非常成功，直到1952年，艾倫與羅德巴克合作，才第一次成功地完成了實驗，同一年，戴維斯也實現了王淦昌的建議，並最終證明中微子不是幾個而是一個。
在電子俘獲試驗證實了中微子的存在以後，進一步的工作就是測量中微子與質子相互作用引起的反應，直接探測中微子。由於中微子與物質相互作用極弱，這種實驗是非常困難的。直到1956年，這項實驗才由美國物理學家弗雷德里克·萊因斯完成。首先實驗需要一個強中微子源，核反應堆就是合適的源。這是由於核燃料吸收中子後會發生裂變，分裂成碎片時又放出中子，從而使其再次裂變。裂變碎片大多是β放射性的，反應堆中有大量裂變碎片，因此它不僅是強大的中子源，也是一個強大的中微子源。因為中微子反應幾率很小，要求用大量的靶核，萊因斯選用氫核（質子）作靶核，使用了兩個裝有氯化鎘溶液的容器，夾在三個液體閃爍計數器中。這種閃爍液體是是一種在射線下能發出熒光的液體，每來一個射線就發出一次熒光。由於中微子與構成原子核的質子碰撞時發出的明顯的頻閃很有特異性，從而證實了中微子的存在。為此，他與發現輕子的美國物理學家馬丁·珀爾分享了1995年諾貝爾物理學獎。
理論上講，中微子的假設非常成功，但要觀察它的存在卻非常困難。由於它的質量小又不帶電荷，與其它粒子間的相互作用非常弱，因而很難探測它的存在。1953年，美國洛斯阿拉莫斯科學實驗室的物理學家萊因斯和柯萬領導的物理學小組著手進行這種艱難的尋覓。1956年，他們在美國原子能委員會所屬的喬治亞州薩凡納河的一個大型裂變反應堆進行探測，終於探測到反中微子。
1962年又發現另一種反中微子。在泡利提出中微子假說以後，經過26年，人們才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人認為中微子永遠觀測不到的悲觀觀點。
中微子是哪一味？
每一種中微子都對應一種帶電的輕子——電子中微子對應電子，μ中微子對應μ子，同理，τ（希臘字母，普通話念「濤」）中微子對應τ子。
電子中微子
電子與原子相互作用，將能量一下子釋放出來，會照亮一個接近球形的區域。
μ中微子
μ子不像電子那樣擅長相互作用，它會在冰中穿行至少1千米，產生一個光錐。
τ中微子
τ子會迅速衰變，它的出現和消失會產生兩個光球，被稱為「雙爆」。 為了研究中微子的性質，各國建造了大量探測設施，比較著名的有日本神岡町的地下中微子探測裝置、義大利的「宏觀」、俄羅斯在貝加爾湖建造的水下中微子探測設施以及美國在南極地區建造的中微子觀測裝置。
1994年，美國威斯康星大學和加利福尼亞大學的科學家在南極冰原以下800米深處安裝輻射探測器，以觀測來自宇宙射線中的中微子。使用南極冰原作為探測器的安置場所，是因為冰不產生自然輻射，不會對探測效果產生影響。此外，把探測器埋到深處，是為了過濾掉宇宙中除了中微子之外的其他輻射。
宇宙中微子的產生有幾種方式。一種是原生的，在宇宙大爆炸產生，現在為溫度很低的宇宙背景中微子。第二種是超新星爆發巨型天體活動中，在引力坍縮過程中，由質子和電子合並成中子過程中產生出來的，SN1987A中微子就是這一類。第三種是在太陽這一類恆星上，通過輕核反應產生的十幾MeV以下的中微子。第四種是高能宇宙線粒子射到大氣層，與其中的原子核發生核反應，產生π、K介子，這些介子再衰變產生中微子，這種中微子叫「大氣中微子」。五是宇宙線中高能質子與宇宙微波背景輻射的光子碰撞產生π介子，這個過程叫「光致π介子」， π介子衰變產生高能中微子，這種中微子能量極高。第六種是宇宙線高能質子打在星體雲或星際介質的原子核上產生核反應生成的介子衰變為中微子，特別在一些中子星、脈沖星等星體上可以產生這種中微子。第七種是地球上的物質自發或誘發裂變產物β衰變產生的中微子，這類中微子是很少的。
泡利提出中微子假說時，還不知道中微子有沒有質量，只知道即使有質量也是很小的，因為電子的最大能量與衰變時放出的總能量很接近，此時中微子帶走的能量就是它的靜止能量，只能是很小的。1998年6月，日本科學家宣布他們的超級神岡中微子探測裝置掌握了足夠的實驗證據說明中微子具有靜止質量，這一發現引起廣泛關注。來自24個國家的350多名高能物理學家雲集日本中部岐阜縣的小鎮神岡町，希望親眼目睹實驗過程。美國哈佛大學理論物理學家謝爾登·格拉休指出：「這是最近幾十年來粒子物理領域最重要的發現之一。」
超級神岡探測器主要用來研究太陽中微子。太陽是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量來源。事實 上，到達地球太陽光熱輻射總功率大約是170萬億千瓦，只佔太陽總輻射量的22億分之一。愛因斯坦相對論的質能關系式使人們了解了核能，而太陽正是靠著核反應才可以長期輻射出巨大能量，這就是太陽能源的來源。在太陽上質子聚變和其他一些輕核反應的過程中不僅釋放出能量，而且發射出中微子。人們利用電子學方法或者放射化學的方法探測中微子。1968年，戴維斯發現探測到的太陽中微子比標准太陽模型的計算值少得多。科學還無法解釋太陽中微子的失蹤之謎，也許是因為中微子還有許多我們不了解的性質。
這個探測裝置由來自日本和美國的約120名研究人員共同維護。他們在神岡町地下一公里深處廢棄的鋅礦坑中設置了一個巨大水池，裝有5萬噸水，周圍放置了1.3萬個光電倍增管探測器。當中微子通過這個水槽時，由於水中氫原子核的數目極其巨大，兩者發生撞擊的幾率相當高。碰撞發生時產生的光子被周圍的光電倍增管捕獲、放大，並通過轉換器變成數字信號送入計算機，供科學家們分析。
已經確認的有三種中微子：電子中微子、μ（繆子）中微子和τ（陶子）中微子。日本科學家設計的這個裝置主要是用來探測宇宙射線與地面上空20公里處的大氣層中各種粒子發生碰撞產生的繆子中微子。研究人員在6月12日出版的美國《科學》雜志上報告說，他們在535天的觀測中捕獲了256個從大氣層進入水槽的μ中微子，只有理論值的百分之六十；在實驗地背面的大氣層中產生、穿過地球來到觀測裝置的中微子有139個，只剩下理論值的一半。他們據此推斷，中微子在通過大氣和穿過地球時，一部分發生了振盪現象，即從一種形態轉為另一種，變為檢測不到的τ中微子。根據量子物理的法則，粒子之間的相互轉化只有在其具有靜止質量的情況下才有可能發生。其結論不言而喻：中微子具有靜止質量。研究人員指出，這個實驗結果在統計上的置信度達到百分之九十九點九九以上。
這個實驗不能給出中微子的准確質量，只能給出這兩種中微子的質量平均值之差－－大約是電子質量的一千萬分之一，這也是中微子質量的下限。中微子具有質量的意義卻不可忽視。一是如前所述，由於宇宙中中微子的數量極其巨大，其總質量也就非常驚人。二是在現有的量子物理框架中，科學家用假設沒有質量的中微子來解釋粒子的電弱作用；因此如果它有質量，目前在理論物理中最前沿的大統一理論模型（一種試圖把粒子間四種基本作用中的三種統一起來的理論）就需要重建。 從19世紀末的三大發現至今，已經過去了100年。在這一個世紀，科學技術飛速發展，人類對自然有了進一步的認識。但是仍有許多自然之謎等著人們去解決。其中牽動全局的問題是粒子物理的標准模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。
中微子是一門與粒子物理、核物理以及天體物理的基本問題息息相關的新興分支科學，人類已經認識了中微子的許多性質及運動、變化規律，但是仍有許多謎團尚未解開。中微子的質量問題到底是怎麼回事？中微子有沒有磁矩？有沒有右旋的中微子與左旋的反中微子？有沒有重中微子？太陽中微子的強度有沒有周期性變化？宇宙背景中微子怎樣探測？它在暗物質中占什麼地位？恆星內部、銀河系核心、超新星爆發過程、類星體、極遠處和極早期宇宙有什麼奧秘？ 這些謎正點是將微觀世界與宇觀世界聯系起來的重要環節。對中微子的研究不僅在高能物理和天體物理中具有重要意義，在我的日常生活中也有現實意義。人類認識客觀世界的目的是為了更自覺地改造世界。我們應充分利用在研究中微子物理的過程中發展起來的實驗技術和中間成果，使其轉化成生產力造福人類，而中微子本身也有可能在21世紀得到應用。 其中可能的應用之一就是中微子通訊。由於地球是球面，加上表面建築物、地形的遮擋，電磁波長距離傳送要通過通訊衛星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿過地球時損耗很小，用高能加速器產生10億電子伏特的中微子穿過地球時只衰減千分之一，因此從南美洲可以使用中微子束穿過地球直接傳至北京。將中微子束加以調制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意兩點進行通訊聯系，無需昂貴而復雜的衛星或微波站。
應用之二是中微子地球斷層掃描，即地層CT。中微子與物質相互作用截面隨中微子能量的提高而增加，用高能加速器產生能量為一萬億電子伏以上的中微子束定向照射地層，與地層物質作用可以產生局部小「地震」，類似於地震法勘探，可對深層地層也進行勘探，將地層一層一層地掃描。

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③ 高能粒子的實驗

1930年，美國物理學家勞倫斯發明了迴旋加速器，並因此獲得了諾貝爾獎，但由於相對論效應，粒子的加速會使質量增大，從而只能使粒子獲得幾百keV的能量。
同步加速器的發明克服了這一缺點，美國費米實驗室的質子同步加速器軌道半徑為1km，利用超導磁場，可將質子加速到1TeV。
同步加速器產生的同步輻射進一步限制了粒子能量的增大，故近年來物理學家們又開始發展直線加速器，因為直線運動的粒子沒有同步輻射。20世紀的最後幾十年是對撞機的時代，弱點統一理論預言的中間玻色子也在對撞機中被發現。歐洲質子對撞機對撞能量已達14TeV，並且已經開始建造更大型的對撞機，希望能夠找到與質量起源聯系密切的希格斯玻色子。對撞機還可以利用兩個重粒子的對撞模擬宇宙大爆炸。
電子感應加速器是一種利用感生電場來加速電子的新型加速器，同步加速器適合加速重粒子（如質子），但是很難加速電子，感應加速器克服了這一困難。如今感應加速器中產生的γ射線可以做光核反應研究，還可以用於工業無損、探傷和醫療等領域。先進的高能加速器和對撞機主要用於前沿科學，而低能加速器卻已經廣泛轉為民用，在材料科學、固體物理、分子生物學、地理、考古等學科有重要應用。
被加速的粒子可以通過輻照改變材料的性質或者誘發植物基因的突變培育新品種，可以診斷並治療腫瘤，還可以生產大量同位素，用於工、農業生產。當然，加速器只能加速帶電粒子，現如今廣泛應用的中子探傷技術、中子干涉測量技術、中子非彈性散射等所用的中子是由核反應堆中產生的。 在高能粒子物理散射實驗中，僅僅有高能粒子還不夠，還必須有先進的粒子探測器來收集信息。粒子探測器是利用粒子與物質的相互作用原理來產生信號的。帶電粒子在物質中運動的主要能量損失是電離損失，通過測量單位路程的能量損失可以判別粒子的類型。
低能在物質中運動的主要能量損失是光電效應，其次較弱的因素還有康普敦散射、瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等，能量大於1MeV的光子能量損失主要原因是產生了正負電子對。高能電子入射到物質中時，由於突然減速，會產生高能軔致輻射，高能光子又會激發正負電子對……如此產生一連串的連鎖反應，可以形成電磁簇射，簇射深度稱為輻射長度，與粒子能量和介質密度有關，高能光子也可以形成簇射。
當帶電粒子在介質中的速度大於介質中的光速時，會產生一種類似於聲學中的「沖擊波」一樣的輻射，稱為切連科夫輻射。切連科夫因為發現這種輻射而獲得了諾貝爾獎。 高能粒子實驗裝置指的是用以發現高能粒子並研究和了解其特性的主要實驗工具。高能物理實驗需要三大條件：一是粒子源；其次是探測器，用以觀察、記錄各種高能粒子，大體上可以分成電探測器和徑跡探測器兩類；第三是用於信息獲取和處理的核電子學系統。
徑跡探測器包括雲室、泡室等探測裝置。在歷史上，人們曾利用這類探測器在科學上得到重要成果。例如，1932年，C.D.安德森用雲室發現了正電子。1960年，中國科學家王淦昌發現反西格馬負超子所用的探測器就是24升丙烷泡室。但是，這類探測器已不屬於現代的主要實驗裝置。
在同步加速器上進行高能物理實驗，常使用前向譜儀。這是在束流前進方向上有目的地安排一系列電探測器，包括閃爍描跡器、多絲正比室、漂移室、契侖科夫計數器、全吸收量能器等探測裝置。例如,用來發現J粒子的雙臂譜儀就是一種前向譜儀。
在對撞機上進行高能物理實驗時，所用譜儀的安排則另有特點。探測器在結構上應盡可能地從各方麵包住對撞區，形成接近4π的立體角。例如，束流管道外包以漂移室,再包以閃爍計數器,外面再包以簇射計數器。簇射計數器外面有大型磁鐵形成軸向磁場。磁鐵外麵包以μ子計數器等，形成多層疊套結構。中國正在興建的第一台正負電子對撞機上所用的探測裝置即屬此類型。
所有這些探測高能粒子的實驗裝置，一般體積都在100～200米3以上，重量達數百噸。然而,其定位精度要求達到10-4米量級，定時精度達到10-10 秒量級,信號通道數達104～105,數據率到107位每秒量級，連續工作時間達103小時以上。因此,完成這樣高指標的信息測量工作，必須擁有龐大、復雜、精密的核電子學系統。 利用這些相互作用原理，針對不同的要求，可以設計出不同類型和功能的粒子探測器。較早的有威爾遜雲室，後來又發明了氣泡室、乳膠室、多絲正比室、漂移室等，最後又發明了切連科夫探測器。
超級神岡中微子探測器是專門用來探測宇宙中最難束縛的幽靈：中微子的，探測器用了50500噸水作為切連科夫探測器，探測到的光（切連科夫輻射）輸入計算機。實驗結果證實了中微子振盪的存在，並且揭示了太陽中微子的失蹤之謎。這些探測器配合粒子加速器可以用來探測多種粒子的軌跡、能量、類型等，它們是加速器的眼睛。
粒子物理實驗所得到的粒子散射截面等數據，結合大爆炸宇宙學恰好可以解釋宇宙中元素的組成和相對豐度。
137億年前，宇宙誕生並開始膨脹，原始宇宙處於超高溫和超高密度的狀態，超高能光子激發出大量的粒子，光子們走不了幾步就會與某個粒子（比如電子）碰撞，光根本透不出來，不得不與其它粒子形成了熱平衡（平衡輻射又叫普朗克輻射）。

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⑤ 誰提出了一種實驗驗證中微子的方案

法國物理學家提出了一個實驗方案，希望能搜尋到第四種中微子的「芳蹤」。科學家們表示，如果實驗證實第四種中微子確實存在，那麼，不僅會給中微子科學帶來巨大影響，也將改變人類對物質組成的根本理解。相關研究發表在最新一期的《物理評論快報》雜志上。
粒子物理學的標准模型認為，存在著三種類型的中微子：電子中微子、μ（繆）中微子和τ（陶）中微子。科學家們已探測到這三種中微子並觀察到相互間的轉化—中微子振盪。
早在上世紀90年代初期，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器（LSND）實驗發現，一束反μ介子撞擊一個目標時，反電子中微子振盪發生的速度比預期快。最近，法國原子能委員會（CEA）的物理學家們對核反應堆中反中微子的生成速度進行了重新計算，結果發現，該速度比預測值高3%，隨後，他們對20多個反應堆中微子實驗的結果進行了重新分析，發現了更多實驗結果與預期不一致的情況。
科學家們認為，對這種偏差最簡單的合理解釋是存在著第四種類型的中微子，他們也推測出了其質量並認為它不會像其他中微子那樣通過弱核力與物質發生反應，這使得它很難被探測到，甚至有科學家認為它可能是一種暗物質。
現在，CEA的邁克爾·克瑞貝爾等人設計了一個實驗，希望能准確測試第四個中微子是否存在。
科學家們的設想是，讓一個活度為1.85PBq的反電子中微子同位素源朝位於大型液體閃爍探測器（LLSD）中央的一個目標開火。隨後，利用位於義大利格蘭薩索國家實驗室的巨型BOREXINO探測儀或位於日本「神岡礦」的KamLAND探測儀進行探測。
該反電子中微子同位素源將由一個輻射源—諸如鈰核組成，為了獲得准確的結果，實驗可能歷時一年。如果轟擊實驗產生了一個不反應的中微子，他們將測量一個獨特的振盪信號以證實第四種中微子的存在。
目前他們面臨的最大技術挑戰是構建出一個反中微子源並建造一個厚厚的遮蔽材料來包裹它，實驗也需要千噸級的探測器。

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鍙傝: 鈥淒irect neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity鈥 by The KATRIN Collaboration, 14 February 2022, Nature Physics .

DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1