迷你世界Laplace 能源、航天与探测 / 图版 F30 — 尖端探测

中微子探测器

中微子穿过地球，几乎从不停留。偶尔有一个撞上水或冰里的原子核，打出的带电粒子比光在水里跑得还快，拖出一圈淡蓝的光。成千上万只光电倍增管记下这圈光。

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章节 · 14
  1. 01每天约三十个
  2. 02一千米岩石之下
  3. 03比水中的光更快
  4. 04清晰的环，模糊的环
  5. 05剖开：五万吨水
  6. 06五十厘米的眼睛
  7. 07加了钆的水
  8. 081987 年的超新星
  9. 09穿过地球的少了
  10. 10一立方公里的冰
  11. 11一个光学模块
  12. 12高能中微子
  13. 13拆开来看
  14. 14一个个环

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01

每天约三十个

太阳核心的聚变放出大量中微子。按标准太阳模型，到达地球时每平方厘米每秒约 6.5 × 10¹⁰ 个。它们几乎不与物质作用，大多径直穿过整个地球。

超级神冈的水箱侧面约 1600 平方米。页面按这个通量算，每天穿过它的太阳中微子约 10²³ 个。超级神冈每天记下的中微子事件约 30 个。要从这么少的事件里看出东西，探测器必须很大、很干净，还要躲开别的信号。

穿过：约 10²³ 个 / 天（页面按通量和侧面积算）· 记下：约 30 个 / 天（超级神冈）

02

一千米岩石之下

宇宙线在大气里撞出的 μ 子不停落到地面。超级神冈在岐阜县飞驒市的神冈矿山里，池之山下 1000 米，上面的岩石相当于 2700 米厚的水。μ 子到这里只剩地面的约十万分之一。

剩下的 μ 子仍有约每秒 2 个穿过水箱，各留下一个大而亮的环，很好认。水箱上方是岩石里挖出的洞室，水箱顶上是放电子学设备的小屋。

地下 1000 米 · 2700 米水当量 · μ 子减到约十万分之一 · 仍约每秒 2 个

03

比水中的光更快

光在水里走得比在真空里慢，约为真空光速的 0.75 倍（水的折射率约 1.33）。带电粒子可以比这更快。这时它沿途发出的光叠成一个锥面，像船头的波浪，叫切伦科夫辐射。

锥的半角由 cos θ = 1/(nβ) 决定，β 是粒子速度与真空光速之比。接近光速的粒子在水里约 41 度。速度低于 1/n 就不发光：电子要有约 0.26 MeV 的动能，μ 子约 54 MeV。每厘米径迹约发出 330 个波长 300 到 600 纳米的光子。

cos θ = 1/(nβ) · 水中 θ ≈ 41° · 每厘米约 330 个光子（页面按 Frank–Tamm 公式算）

04

清晰的环，模糊的环

中微子撞上水里的原子核，打出的电子或 μ 子接着向前飞，锥面的光落到墙上成一个环。μ 子较重，几乎直线前进，边走边慢，锥越来越窄：环的外缘清晰，里面填满。

电子很快引发电磁簇射，许多电子和正电子朝略有不同的方向飞，各自的锥叠在一起，环的边缘就模糊了。超级神冈按环的样子分辨两者，单环事件里认错的约 0.7% 到 0.8%。页面上的每个环都是逐个光子算出来的。

μ 子：边缘清晰 · 电子：边缘模糊 · 认错约 0.7%–0.8%（单环模拟事件）

05

剖开：五万吨水

超级神冈是一个不锈钢圆柱水箱，直径 39.3 米、高 41.4 米，装着五万吨超纯水。这里的模型是 1:40，水箱顶上的小人 1.75 米高。

水箱里有一层不锈钢架子，把它分成两部分。架子以内是内探测器，直径 33.8 米、高 36.2 米，朝里装着 11,129 只 50 厘米光电倍增管，约占墙面的 40%，其间铺着黑色 PET 薄膜。架子以外是外探测器，朝外装着 1885 只 20 厘米光电倍增管，四壁贴着白色 Tyvek，用来认出从外面进来的粒子。

39.3 × 41.4 米 · 5 万吨 · 内 11,129 只（1996 年为 11,146 只）· 外 1885 只 · 模型 1:40

06

五十厘米的眼睛

内探测器的光电倍增管是滨松光子学的 R3600，直径 50 厘米。光子打在玻璃内面的双碱光阴极上，可能打出一个电子，峰值概率约 22%，在 400 纳米附近。电子经过一串百叶窗式打拿极，一次次倍增成可以量出的电流。单个光电子的时间分辨约 2 纳秒。

2001 年 11 月 12 日，水箱在注水时，底部一只管子内爆，冲击波连锁打碎了 6777 只内探测器管和 1100 只外探测器管。此后每只内探测器管都装进玻璃钢外壳，前面加亚克力罩。2006 年修复到 11,129 只。图中水位放低，一条橡皮艇停在水面上，像检修时那样。

R3600 · 50 厘米 · 双碱光阴极 · 峰值量子效率约 22% · 单光电子约 2 纳秒

07

加了钆的水

光要穿过几十米水才到墙上，水必须极清。超级神冈的水不停循环净化，光的衰减长度约 90 到 120 米。

2020 年夏天起，水里溶进了硫酸钆：先是 13 吨，钆浓度约 0.01%；2022 年再加 26.1 吨，到约 0.03%。反中微子撞上质子，生成一个正电子和一个中子。正电子立刻发光；中子在水里游荡，被钆俘获时放出共约 8 MeV 的伽马射线，在浓度 0.01% 时平均晚 115 微秒。一前一后两次闪光，标出一个反中微子。浓度 0.03% 时约 75% 的中子被钆俘获。

13 吨 + 26.1 吨硫酸钆 · 约 0.03% · 中子俘获约 75% · 约 8 MeV 伽马射线

08

1987 年的超新星

1987 年 2 月 23 日世界时 7 时 35 分 35 秒（误差 1 分钟），超级神冈的前身神冈二号在 13 秒内记下 11 个电子事件，能量 7.5 到 36 MeV。它们来自约 16 万光年外大麦哲伦云里的超新星 SN 1987A。美国的 IMB 探测器在 6 秒内记下 8 个。

神冈二号的水箱装 3000 吨水，有 948 只 50 厘米光电倍增管。它的名字来自“神冈核子衰变实验”，最初是为寻找质子衰变而建的。2002 年诺贝尔物理学奖的一半授予 Raymond Davis Jr. 和小柴昌俊，表彰他们“对天体物理学的开创性贡献，特别是探测到宇宙中微子”。

神冈二号：11 个事件 / 13 秒 · IMB：8 个 / 6 秒 · 2002 年诺贝尔奖

09

穿过地球的少了

宇宙线在大气里也产生中微子，四面八方都有。从头顶来的约走 15 公里，从脚下穿过地球来的约走 13,000 公里。如果中微子在路上不变，上下两边来的 μ 中微子应该一样多。

1998 年，超级神冈用 535 天的数据报告：多 GeV 的 μ 型事件，从下面来的明显少于从上面来的，不对称度 −0.296 ± 0.048 ± 0.01，偏离零超过 6 个标准差。μ 中微子在路上变成了别的味道，这叫振荡，它要求中微子有质量。两味近似下存活概率是 1 − sin²2θ · sin²(1.27 Δm² L/E)。页面按这个公式算出上下之比。

2015 年诺贝尔物理学奖授予超级神冈合作组的梶田隆章和萨德伯里中微子观测站合作组的 Arthur B. McDonald，表彰“发现中微子振荡，表明中微子有质量”。

不对称度 A = −0.296 ± 0.048 ± 0.01（多 GeV μ 型）· Δm² ≈ 2.4 × 10⁻³ eV² · 2015 年诺贝尔奖

10

一立方公里的冰

南极点的冰层约 2800 米厚，深处的冰极清。冰立方在冰里钻了 86 个孔，每孔放下一根缆，挂着 60 个数字光学模块，深 1450 到 2450 米，上下相隔 17 米。其中 78 根排成三角形网格，相距 125 米，围住约一立方公里的冰。2010 年 12 月 18 日建成。

中间加密的 8 根是 DeepCore：最下面 50 个模块相隔 7 米，在 2100 到 2450 米，避开约 2000 到 2100 米之间散射更强的尘埃层。冰面上的冰顶阵列有 162 个冰槽，测宇宙线的空气簇射。2025/26 年夏天，中心又放下五根更密的串，图中没有画。这里的模型是 1:3000，模块画得比实际大得多。

86 根串 · 5160 个模块 · 1450–2450 米 · 相距 125 米 · 上下 17 米 · 模型 1:3000

11

一个光学模块

每个模块是一个外径 13 英寸、厚半英寸的硼硅玻璃球，能长期承受 250 巴，冰回冻时承受最高 690 巴的压力。里面朝下装着一只 10 英寸的滨松 R7081-02 光电倍增管，用约 1 厘米厚的硅凝胶贴住玻璃，外面一圈 μ 金属网挡住地磁场。

上半球是电子学：主板把波形数字化，ATWD 每秒采样 3 亿次，快速 ADC 每秒 4000 万次；闪光板上有 12 只 405 纳米的 LED，模块之间用它们互相标定。每个模块平均耗电约 5.7 瓦，含电源和传输损耗。这里按 1:1 画。

13 英寸玻璃球 · 10 英寸光电倍增管 · 增益 10⁷ · 12 只 LED · 约 5.7 瓦

12

高能中微子

冰立方看到两种样子：μ 子留下一条长径迹，方向可定到 1 度以内；簇射是一团近乎球形的光，方向只到约 10 度，能量却量得准。2013 年，冰立方报告两年数据里有 28 个沉积能量 30 到 1200 TeV 的事件，本底预计约 10.6 个，以约 4σ 排除了纯大气来源。这是来自地球以外的高能中微子的证据。

2017 年 9 月 22 日，一个约 290 TeV 的中微子指向正在耀发的耀变体 TXS 0506+056，偶然重合在 3σ 水平上不被看好。2022 年，冰立方在约 4700 万光年外的活动星系 NGC 1068 方向看到约 79 个超出本底的中微子，4.2σ。2026 年诺贝尔物理学奖授予 Francis Halzen，表彰他“对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及发现天体物理来源的高能中微子”。

2013：28 个事件，4σ · 2017：TXS 0506+056，3σ · 2022：NGC 1068，4.2σ · 2026 年诺贝尔奖

13

拆开来看

岩石和洞室、水箱和外探测器、内探测器（架子、光电倍增管和水）、水箱顶上的小屋，一件件分开。

指针停在哪件上，它就被单独托出来，其余的变淡；不动时，各件都标出名字。

14

一个个环

拉杆是轻子的动能，按钮选 μ 中微子或电子中微子。每个事件的顶点和方向随机。页面从径迹的每一小段发出切伦科夫光子，按水的衰减、光阴极的覆盖和效率决定哪些被记下，记在它落到的那只管子上。

展开的墙上依次是顶、桶壁、底。下面是一个简单的判别：光电子相对径迹方向的角度分布，看 41 度锥边再往外 8 度以外的光占多少。μ 子的环几乎没有，电子的约五分之一。超级神冈用的是细得多的似然拟合；这里只演示两种环的差别。

试一试把能量推到 1.5 GeV，μ 中微子和电子中微子各看几个事件：锥边以外的光各占多少？哪一个的环边缘更清晰？

模型省略了什么

超级神冈的模型按合作组公布的尺寸做，1:40：水箱、内外探测器、55 厘米的结构层、70.7 厘米网格上的 11,146 个内探测器管位（1996 年的排布，现在是 11,129 只）、外探测器的管子和 60 厘米见方的波长转换板，都在对的位置；岩石块、洞室的拱顶、顶上的小屋、扶手、舱口和橡皮艇是示意的，结构层在剖面上画成格子，水箱壁厚也是示意的。外探测器的管子按总数均匀摆放，不是真实排布。内探测器管画成金铜色的半球，照片里它们就是这样。冰立方的模型是 1:3000：串按 125 米三角形网格和 DeepCore 的平均间距排，不是真实坐标；模块画成直径约 8 米的珠子（实际 33 厘米）；冰顶冰槽和冰立方实验室的位置示意；2025/26 年新加的五根串没有画。光学模块按 1:1，内部按 JINST 论文的描述示意。事件都是页面模拟的：μ 子每米损失约 220 MeV，每 5 厘米算一段，多次散射用 Highland 公式；电子簇射按辐射长度 36 厘米、临界能量 78 MeV 的纵向分布，各段方向在轴线周围散开约 0.2 到 0.5 弧度；光子沿直线走到墙上，衰减长度取 90 米，不算散射和反射；光阴极的有效效率取 11.8%，使电子约每 MeV 得到 6 个光电子（PDG 给超级神冈约 6 个）。中微子的相互作用本身不模拟：轻子的动能就是拉杆的值，反冲的核子不画。太阳中微子、宇宙线 μ 子、超新星和钆的事件用同一个模拟，超新星一章的模型上画的是低能事件，不是 1987 年的数据（数据在右上角的图里）。冰立方的事件用教科书形式的光衰减（径迹 e^(−d/λ)/√d，簇射 e^(−d/λ)/d²，λ 取 30 米），不是合作组的光学表。振荡用两味公式，Δm² = 2.445 × 10⁻³ eV²（PDG 2026），sin²2θ 取 0.996，产生高度 15 公里，能量按对数正态散开；μ 子与中微子方向之差不计。超级神冈的论文常写锥角 42 度；页面用折射率 1.333，得到约 41 度。

几个常见的误解

“比光更快”是比光在水里的速度快，不是比真空光速快；没有东西超过真空光速。切伦科夫光不是中微子发出的，而是它撞出的带电粒子发出的；探测器从来看不见中微子本身。被击中的管子在页面上亮起，只是为了显示，真实的管子只收光、不发光。中微子振荡说明中微子有质量，但振荡只量出质量平方之差，量不出每种中微子的质量本身。1998 年的论文写的是振荡的“证据”。TXS 0506+056 和 NGC 1068 的结果是 3σ 到 4.2σ 的证据，还不是 5σ 的发现。2002 年的诺贝尔奖材料写的是 12 个事件，神冈二号的论文计入 11 个：第 12 个能量低于论文的 7.5 MeV 门槛。

常见问题 · 5
超级神冈每天能记下多少个中微子？

超级神冈每天记下的中微子事件约 30 个。

01每天约三十个
超级神冈建在多深的地下？

超级神冈在岐阜县飞驒市的神冈矿山里，池之山下 1000 米，上面的岩石相当于 2700 米厚的水。

02一千米岩石之下
切伦科夫光的锥角有多大？

接近光速的粒子在水里约 41 度。

03比水中的光更快
谁因发现中微子振荡获得诺贝尔奖？

2015 年诺贝尔物理学奖授予超级神冈合作组的梶田隆章和萨德伯里中微子观测站合作组的 Arthur B. McDonald，表彰“发现中微子振荡，表明中微子有质量”。

09穿过地球的少了
冰立方有多少个光学模块？

冰立方在冰里钻了 86 个孔，每孔放下一根缆，挂着 60 个数字光学模块，深 1450 到 2450 米，上下相隔 17 米。

10一立方公里的冰

资料来源

  1. 超级神冈：Detector（39.3 × 41.4 米；11,129 只内探测器管，约 40%；黑色 PET 薄膜；外探测器管与 60 厘米波长转换板；约每秒 2 个 μ 子，减到约十万分之一；每天约 30 个中微子）
  2. 超级神冈：Overview（50,000 吨；神冈矿山，飞驒市，地下 1000 米）
  3. 超级神冈：History（1996 年 4 月 1 日开始；2001 年事故 6777 + 1100 只；2006 年修复到 11,129 只；神冈二号 3000 吨，“神冈核子衰变实验”）
  4. 超级神冈：SK-Gd（13 吨，0.01%；循环 120 吨每小时；0.03% 时俘获约 75%）
  5. K. Abe 等 (2014)：Calibration of the Super-Kamiokande detector，NIM A 737, 253（R3600；双碱光阴极、百叶窗式打拿极；PMT 数表；2700 米水当量；单光电子 2.1 纳秒）
  6. Y. Ashie 等 (2005)：A measurement of atmospheric neutrino oscillation parameters by Super-Kamiokande I，PRD 71, 112005（半径 16.9 米、高 36.2 米；55 厘米；2.5 纳秒；认错 0.7% / 0.8%；衰减长度 90–120 米）
  7. E. Kearns (2002)：Super-Kamiokande accident（2001 年 11 月 12 日，6777 + 1100 只）
  8. K. Abe 等 (2016)：Solar neutrino measurements in Super-Kamiokande-IV，PRD 94, 052010（42° 锥）
  9. K. Abe 等 (2022)：First gadolinium loading to Super-Kamiokande，NIM A 1027, 166248（13 吨，0.011%；约 8 MeV 伽马；平均俘获时间 115 ± 1 微秒）
  10. K. Abe 等 (2024)：Second gadolinium loading to Super-Kamiokande，NIM A 1065, 169480（26.1 吨，0.033%；俘获效率 75%）
  11. Y. Fukuda 等 (1998)：Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos，PRL 81, 1562（33.0 千吨·年，535 天；A = −0.296 ± 0.048 ± 0.01；15 公里与 13,000 公里）
  12. K. Hirata 等 (1987)：Observation of a neutrino burst from the supernova SN1987A，PRL 58, 1490（7:35:35 UT；13 秒内 11 个事件，7.5–36 MeV）
  13. R. M. Bionta 等 (1987)：Observation of a neutrino burst in coincidence with supernova 1987A，PRL 58, 1494（IMB，8 个事件，6 秒）
  14. T. J. Loredo, D. Q. Lamb (2002)：Bayesian analysis of neutrinos observed from supernova SN 1987A，PRD 65, 063002（表 III：各事件的时间和能量）
  15. 诺贝尔奖：2002 年物理学奖新闻稿（Davis、小柴昌俊、Giacconi）
  16. 诺贝尔奖：2015 年物理学奖新闻稿（梶田隆章、McDonald）
  17. 诺贝尔奖：2026 年物理学奖新闻稿（Francis Halzen）
  18. N. Vinyoles 等 (2017)：A new generation of standard solar models，ApJ 835, 202（各分支通量，合计约 6.5 × 10¹⁰ 每平方厘米每秒）
  19. Particle Data Group (2026)：Neutrino mixing（式 14.40、14.43：两味振荡）
  20. Particle Data Group (2026)：Leptons summary（Δm²₃₂ = 2.445 × 10⁻³ eV²，sin²θ₂₃ = 0.533）
  21. Particle Data Group (2026)：Passage of particles through matter（切伦科夫辐射，式 34.41–34.44）
  22. Particle Data Group：水的性质（折射率 1.333；最小电离 1.981 MeV/厘米；辐射长度 36.08 厘米；临界能量 78.33 MeV）
  23. Particle Data Group (2026)：Non-accelerator detectors（超级神冈约每 MeV 6 个光电子；峰值量子效率约 20%；模糊的环与清晰的环）
  24. 冰立方合作组 (2017)：The IceCube Neutrino Observatory: instrumentation and online systems，JINST 12, P03012（86 根串、5160 个模块、1450–2450 米、125 米、17 米；DeepCore；冰顶 162 个冰槽；玻璃球、R7081-02、凝胶、μ 金属网、ATWD 与 fADC、12 只 LED、5.7 瓦；2010 年 12 月 18 日建成）
  25. 冰立方合作组 (2012)：The design and performance of IceCube DeepCore，Astropart. Phys. 35, 615
  26. 冰立方合作组 (2013)：Measurement of South Pole ice transparency with the IceCube LED calibration system，NIM A 711, 73（冰厚 2.8 公里；锥角约 41°；尘埃层）
  27. 冰立方合作组 (2013)：Evidence for high-energy extraterrestrial neutrinos at the IceCube detector，Science 342, 1242856（28 个事件，30–1200 TeV，本底 10.6，4σ）
  28. 冰立方合作组等 (2018)：Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A，Science 361, eaat1378（约 290 TeV；3σ）
  29. 冰立方合作组 (2018)：Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert，Science 361, 147
  30. 冰立方合作组 (2022)：Evidence for neutrino emission from the nearby active galaxy NGC 1068，Science 378, 538（79 个，4.2σ）
  31. 冰立方：2026 年 2 月 12 日新闻稿（升级：五根新串）
  32. 冰立方：Facts（约 450 名科学家，58 个机构，14 个国家）

数据

The Super-Kamiokande model follows the sizes the collaboration publishes (39.3 × 41.4 m tank, 33.8 × 36.2 m inner detector, the 55 cm structure, 20-inch PMTs on a 70.7 cm grid); the rock, the cavern’s vault, the huts, the rails and the boat are schematic. The IceCube model follows the instrumentation paper (JINST 12 P03012) for counts and depths; its string map is a regular grid, not the real coordinates. Every event on the page is simulated by the page itself (photons traced from a lepton’s track to the wall of PMTs; a textbook light model in the ice); none is collaboration data. The 1987 supernova events are from the compilation by T. J. Loredo and D. Q. Lamb (Phys. Rev. D 65, 063002, 2002). Material presets, parts and the softbox studio of the site’s model kit are ported from AirsupHQ/machine-skill (MIT, © 2026 Air Supply Technologies Inc.).

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引用这幅图版

拉普拉斯的迷你世界，图版 F30《中微子探测器》，https://world.lapla.si/zh/neutrino/，CC BY-NC 4.0，2026-10-21 更新。

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