下列那些是现有的高能中微子实验装置

① 中微子的研究过程

1930年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假设。1956年，柯温（C.L.Cowan）和弗雷德里克·莱因斯利用核反应堆产物的β衰变产生反中微子，观测到了中微子诱发的反应：
这是第一次从实验上得到中微子存在的证据。
泡利的中微子假说和费米的β衰变理论虽然逐渐被人们接受，但终究还蒙上了一层迷雾：谁也没有见到中微子。就连泡利本人也曾说过，中微子是永远测不到的。在泡利提出中微子假说的时候，我国物理学家王淦昌正在德国柏林大学读研究生，直到回国，他还一直关心着β衰变和检验中微子的实验。1941年，王淦昌写了一篇题为《关于探测中微子的一个建议》的文章，发表在次年美国的《物理评论》杂志上。1942年6月，该刊发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌方案作的实验结果，证实了中微子的存在，这是这一年中世界物理学界的一件大事。但当时的实验不是非常成功，直到1952年，艾伦与罗德巴克合作，才第一次成功地完成了实验，同一年，戴维斯也实现了王淦昌的建议，并最终证明中微子不是几个而是一个。
在电子俘获试验证实了中微子的存在以后，进一步的工作就是测量中微子与质子相互作用引起的反应，直接探测中微子。由于中微子与物质相互作用极弱，这种实验是非常困难的。直到1956年，这项实验才由美国物理学家弗雷德里克·莱因斯完成。首先实验需要一个强中微子源，核反应堆就是合适的源。这是由于核燃料吸收中子后会发生裂变，分裂成碎片时又放出中子，从而使其再次裂变。裂变碎片大多是β放射性的，反应堆中有大量裂变碎片，因此它不仅是强大的中子源，也是一个强大的中微子源。因为中微子反应几率很小，要求用大量的靶核，莱因斯选用氢核（质子）作靶核，使用了两个装有氯化镉溶液的容器，夹在三个液体闪烁计数器中。这种闪烁液体是是一种在射线下能发出荧光的液体，每来一个射线就发出一次荧光。由于中微子与构成原子核的质子碰撞时发出的明显的频闪很有特异性，从而证实了中微子的存在。为此，他与发现轻子的美国物理学家马丁·珀尔分享了1995年诺贝尔物理学奖。
理论上讲，中微子的假设非常成功，但要观察它的存在却非常困难。由于它的质量小又不带电荷，与其它粒子间的相互作用非常弱，因而很难探测它的存在。1953年，美国洛斯阿拉莫斯科学实验室的物理学家莱因斯和柯万领导的物理学小组着手进行这种艰难的寻觅。1956年，他们在美国原子能委员会所属的佐治亚州萨凡纳河的一个大型裂变反应堆进行探测，终于探测到反中微子。
1962年又发现另一种反中微子。在泡利提出中微子假说以后，经过26年，人们才第一次捕捉到了中微子，也打破了泡利本人认为中微子永远观测不到的悲观观点。
中微子是哪一味？
每一种中微子都对应一种带电的轻子——电子中微子对应电子，μ中微子对应μ子，同理，τ（希腊字母，普通话念“涛”）中微子对应τ子。
电子中微子
电子与原子相互作用，将能量一下子释放出来，会照亮一个接近球形的区域。
μ中微子
μ子不像电子那样擅长相互作用，它会在冰中穿行至少1千米，产生一个光锥。
τ中微子
τ子会迅速衰变，它的出现和消失会产生两个光球，被称为“双爆”。 为了研究中微子的性质，各国建造了大量探测设施，比较著名的有日本神冈町的地下中微子探测装置、意大利的“宏观”、俄罗斯在贝加尔湖建造的水下中微子探测设施以及美国在南极地区建造的中微子观测装置。
1994年，美国威斯康星大学和加利福尼亚大学的科学家在南极冰原以下800米深处安装辐射探测器，以观测来自宇宙射线中的中微子。使用南极冰原作为探测器的安置场所，是因为冰不产生自然辐射，不会对探测效果产生影响。此外，把探测器埋到深处，是为了过滤掉宇宙中除了中微子之外的其他辐射。
宇宙中微子的产生有几种方式。一种是原生的，在宇宙大爆炸产生，现在为温度很低的宇宙背景中微子。第二种是超新星爆发巨型天体活动中，在引力坍缩过程中，由质子和电子合并成中子过程中产生出来的，SN1987A中微子就是这一类。第三种是在太阳这一类恒星上，通过轻核反应产生的十几MeV以下的中微子。第四种是高能宇宙线粒子射到大气层，与其中的原子核发生核反应，产生π、K介子，这些介子再衰变产生中微子，这种中微子叫“大气中微子”。五是宇宙线中高能质子与宇宙微波背景辐射的光子碰撞产生π介子，这个过程叫“光致π介子”， π介子衰变产生高能中微子，这种中微子能量极高。第六种是宇宙线高能质子打在星体云或星际介质的原子核上产生核反应生成的介子衰变为中微子，特别在一些中子星、脉冲星等星体上可以产生这种中微子。第七种是地球上的物质自发或诱发裂变产物β衰变产生的中微子，这类中微子是很少的。
泡利提出中微子假说时，还不知道中微子有没有质量，只知道即使有质量也是很小的，因为电子的最大能量与衰变时放出的总能量很接近，此时中微子带走的能量就是它的静止能量，只能是很小的。1998年6月，日本科学家宣布他们的超级神冈中微子探测装置掌握了足够的实验证据说明中微子具有静止质量，这一发现引起广泛关注。来自24个国家的350多名高能物理学家云集日本中部岐阜县的小镇神冈町，希望亲眼目睹实验过程。美国哈佛大学理论物理学家谢尔登·格拉休指出：“这是最近几十年来粒子物理领域最重要的发现之一。”
超级神冈探测器主要用来研究太阳中微子。太阳是地球上所有生命的源泉，也是地球表面最主要的能量来源。事实 上，到达地球太阳光热辐射总功率大约是170万亿千瓦，只占太阳总辐射量的22亿分之一。爱因斯坦相对论的质能关系式使人们了解了核能，而太阳正是靠着核反应才可以长期辐射出巨大能量，这就是太阳能源的来源。在太阳上质子聚变和其他一些轻核反应的过程中不仅释放出能量，而且发射出中微子。人们利用电子学方法或者放射化学的方法探测中微子。1968年，戴维斯发现探测到的太阳中微子比标准太阳模型的计算值少得多。科学还无法解释太阳中微子的失踪之谜，也许是因为中微子还有许多我们不了解的性质。
这个探测装置由来自日本和美国的约120名研究人员共同维护。他们在神冈町地下一公里深处废弃的锌矿坑中设置了一个巨大水池，装有5万吨水，周围放置了1.3万个光电倍增管探测器。当中微子通过这个水槽时，由于水中氢原子核的数目极其巨大，两者发生撞击的几率相当高。碰撞发生时产生的光子被周围的光电倍增管捕获、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机，供科学家们分析。
已经确认的有三种中微子：电子中微子、μ（缪子）中微子和τ（陶子）中微子。日本科学家设计的这个装置主要是用来探测宇宙射线与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的缪子中微子。研究人员在6月12日出版的美国《科学》杂志上报告说，他们在535天的观测中捕获了256个从大气层进入水槽的μ中微子，只有理论值的百分之六十；在实验地背面的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有139个，只剩下理论值的一半。他们据此推断，中微子在通过大气和穿过地球时，一部分发生了振荡现象，即从一种形态转为另一种，变为检测不到的τ中微子。根据量子物理的法则，粒子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。其结论不言而喻：中微子具有静止质量。研究人员指出，这个实验结果在统计上的置信度达到百分之九十九点九九以上。
这个实验不能给出中微子的准确质量，只能给出这两种中微子的质量平均值之差－－大约是电子质量的一千万分之一，这也是中微子质量的下限。中微子具有质量的意义却不可忽视。一是如前所述，由于宇宙中中微子的数量极其巨大，其总质量也就非常惊人。二是在现有的量子物理框架中，科学家用假设没有质量的中微子来解释粒子的电弱作用；因此如果它有质量，目前在理论物理中最前沿的大统一理论模型（一种试图把粒子间四种基本作用中的三种统一起来的理论）就需要重建。 从19世纪末的三大发现至今，已经过去了100年。在这一个世纪，科学技术飞速发展，人类对自然有了进一步的认识。但是仍有许多自然之谜等着人们去解决。其中牵动全局的问题是粒子物理的标准模型能否突破？如何突破？中微子正是有希望的突破口之一。
中微子是一门与粒子物理、核物理以及天体物理的基本问题息息相关的新兴分支科学，人类已经认识了中微子的许多性质及运动、变化规律，但是仍有许多谜团尚未解开。中微子的质量问题到底是怎么回事？中微子有没有磁矩？有没有右旋的中微子与左旋的反中微子？有没有重中微子？太阳中微子的强度有没有周期性变化？宇宙背景中微子怎样探测？它在暗物质中占什么地位？恒星内部、银河系核心、超新星爆发过程、类星体、极远处和极早期宇宙有什么奥秘？ 这些谜正点是将微观世界与宇观世界联系起来的重要环节。对中微子的研究不仅在高能物理和天体物理中具有重要意义，在我的日常生活中也有现实意义。人类认识客观世界的目的是为了更自觉地改造世界。我们应充分利用在研究中微子物理的过程中发展起来的实验技术和中间成果，使其转化成生产力造福人类，而中微子本身也有可能在21世纪得到应用。 其中可能的应用之一就是中微子通讯。由于地球是球面，加上表面建筑物、地形的遮挡，电磁波长距离传送要通过通讯卫星和地面站。而中微子可以直透地球，它在穿过地球时损耗很小，用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时只衰减千分之一，因此从南美洲可以使用中微子束穿过地球直接传至北京。将中微子束加以调制，就可以使其包含有用信息，在地球上任意两点进行通讯联系，无需昂贵而复杂的卫星或微波站。
应用之二是中微子地球断层扫描，即地层CT。中微子与物质相互作用截面随中微子能量的提高而增加，用高能加速器产生能量为一万亿电子伏以上的中微子束定向照射地层，与地层物质作用可以产生局部小“地震”，类似于地震法勘探，可对深层地层也进行勘探，将地层一层一层地扫描。

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③ 高能粒子的实验

1930年，美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，并因此获得了诺贝尔奖，但由于相对论效应，粒子的加速会使质量增大，从而只能使粒子获得几百keV的能量。
同步加速器的发明克服了这一缺点，美国费米实验室的质子同步加速器轨道半径为1km，利用超导磁场，可将质子加速到1TeV。
同步加速器产生的同步辐射进一步限制了粒子能量的增大，故近年来物理学家们又开始发展直线加速器，因为直线运动的粒子没有同步辐射。20世纪的最后几十年是对撞机的时代，弱点统一理论预言的中间玻色子也在对撞机中被发现。欧洲质子对撞机对撞能量已达14TeV，并且已经开始建造更大型的对撞机，希望能够找到与质量起源联系密切的希格斯玻色子。对撞机还可以利用两个重粒子的对撞模拟宇宙大爆炸。
电子感应加速器是一种利用感生电场来加速电子的新型加速器，同步加速器适合加速重粒子（如质子），但是很难加速电子，感应加速器克服了这一困难。如今感应加速器中产生的γ射线可以做光核反应研究，还可以用于工业无损、探伤和医疗等领域。先进的高能加速器和对撞机主要用于前沿科学，而低能加速器却已经广泛转为民用，在材料科学、固体物理、分子生物学、地理、考古等学科有重要应用。
被加速的粒子可以通过辐照改变材料的性质或者诱发植物基因的突变培育新品种，可以诊断并治疗肿瘤，还可以生产大量同位素，用于工、农业生产。当然，加速器只能加速带电粒子，现如今广泛应用的中子探伤技术、中子干涉测量技术、中子非弹性散射等所用的中子是由核反应堆中产生的。 在高能粒子物理散射实验中，仅仅有高能粒子还不够，还必须有先进的粒子探测器来收集信息。粒子探测器是利用粒子与物质的相互作用原理来产生信号的。带电粒子在物质中运动的主要能量损失是电离损失，通过测量单位路程的能量损失可以判别粒子的类型。
低能在物质中运动的主要能量损失是光电效应，其次较弱的因素还有康普敦散射、瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射等，能量大于1MeV的光子能量损失主要原因是产生了正负电子对。高能电子入射到物质中时，由于突然减速，会产生高能轫致辐射，高能光子又会激发正负电子对……如此产生一连串的连锁反应，可以形成电磁簇射，簇射深度称为辐射长度，与粒子能量和介质密度有关，高能光子也可以形成簇射。
当带电粒子在介质中的速度大于介质中的光速时，会产生一种类似于声学中的“冲击波”一样的辐射，称为切连科夫辐射。切连科夫因为发现这种辐射而获得了诺贝尔奖。 高能粒子实验装置指的是用以发现高能粒子并研究和了解其特性的主要实验工具。高能物理实验需要三大条件：一是粒子源；其次是探测器，用以观察、记录各种高能粒子，大体上可以分成电探测器和径迹探测器两类；第三是用于信息获取和处理的核电子学系统。
径迹探测器包括云室、泡室等探测装置。在历史上，人们曾利用这类探测器在科学上得到重要成果。例如，1932年，C.D.安德森用云室发现了正电子。1960年，中国科学家王淦昌发现反西格马负超子所用的探测器就是24升丙烷泡室。但是，这类探测器已不属于现代的主要实验装置。
在同步加速器上进行高能物理实验，常使用前向谱仪。这是在束流前进方向上有目的地安排一系列电探测器，包括闪烁描迹器、多丝正比室、漂移室、契仑科夫计数器、全吸收量能器等探测装置。例如,用来发现J粒子的双臂谱仪就是一种前向谱仪。
在对撞机上进行高能物理实验时，所用谱仪的安排则另有特点。探测器在结构上应尽可能地从各方面包住对撞区，形成接近4π的立体角。例如，束流管道外包以漂移室,再包以闪烁计数器,外面再包以簇射计数器。簇射计数器外面有大型磁铁形成轴向磁场。磁铁外面包以μ子计数器等，形成多层叠套结构。中国正在兴建的第一台正负电子对撞机上所用的探测装置即属此类型。
所有这些探测高能粒子的实验装置，一般体积都在100～200米3以上，重量达数百吨。然而,其定位精度要求达到10-4米量级，定时精度达到10-10 秒量级,信号通道数达104～105,数据率到107位每秒量级，连续工作时间达103小时以上。因此,完成这样高指标的信息测量工作，必须拥有庞大、复杂、精密的核电子学系统。 利用这些相互作用原理，针对不同的要求，可以设计出不同类型和功能的粒子探测器。较早的有威尔逊云室，后来又发明了气泡室、乳胶室、多丝正比室、漂移室等，最后又发明了切连科夫探测器。
超级神冈中微子探测器是专门用来探测宇宙中最难束缚的幽灵：中微子的，探测器用了50500吨水作为切连科夫探测器，探测到的光（切连科夫辐射）输入计算机。实验结果证实了中微子振荡的存在，并且揭示了太阳中微子的失踪之谜。这些探测器配合粒子加速器可以用来探测多种粒子的轨迹、能量、类型等，它们是加速器的眼睛。
粒子物理实验所得到的粒子散射截面等数据，结合大爆炸宇宙学恰好可以解释宇宙中元素的组成和相对丰度。
137亿年前，宇宙诞生并开始膨胀，原始宇宙处于超高温和超高密度的状态，超高能光子激发出大量的粒子，光子们走不了几步就会与某个粒子（比如电子）碰撞，光根本透不出来，不得不与其它粒子形成了热平衡（平衡辐射又叫普朗克辐射）。

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⑤ 谁提出了一种实验验证中微子的方案

法国物理学家提出了一个实验方案，希望能搜寻到第四种中微子的“芳踪”。科学家们表示，如果实验证实第四种中微子确实存在，那么，不仅会给中微子科学带来巨大影响，也将改变人类对物质组成的根本理解。相关研究发表在最新一期的《物理评论快报》杂志上。
粒子物理学的标准模型认为，存在着三种类型的中微子：电子中微子、μ（缪）中微子和τ（陶）中微子。科学家们已探测到这三种中微子并观察到相互间的转化—中微子振荡。
早在上世纪90年代初期，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁中微子探测器（LSND）实验发现，一束反μ介子撞击一个目标时，反电子中微子振荡发生的速度比预期快。最近，法国原子能委员会（CEA）的物理学家们对核反应堆中反中微子的生成速度进行了重新计算，结果发现，该速度比预测值高3%，随后，他们对20多个反应堆中微子实验的结果进行了重新分析，发现了更多实验结果与预期不一致的情况。
科学家们认为，对这种偏差最简单的合理解释是存在着第四种类型的中微子，他们也推测出了其质量并认为它不会像其他中微子那样通过弱核力与物质发生反应，这使得它很难被探测到，甚至有科学家认为它可能是一种暗物质。
现在，CEA的迈克尔·克瑞贝尔等人设计了一个实验，希望能准确测试第四个中微子是否存在。
科学家们的设想是，让一个活度为1.85PBq的反电子中微子同位素源朝位于大型液体闪烁探测器（LLSD）中央的一个目标开火。随后，利用位于意大利格兰萨索国家实验室的巨型BOREXINO探测仪或位于日本“神冈矿”的KamLAND探测仪进行探测。
该反电子中微子同位素源将由一个辐射源—诸如铈核组成，为了获得准确的结果，实验可能历时一年。如果轰击实验产生了一个不反应的中微子，他们将测量一个独特的振荡信号以证实第四种中微子的存在。
目前他们面临的最大技术挑战是构建出一个反中微子源并建造一个厚厚的遮蔽材料来包裹它，实验也需要千吨级的探测器。

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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