A Chinese lab starts to tackle a giant mystery in particle physics

江門中微子探測器（JUNO）將搜尋宇宙中最難以捉摸的粒子

圖片來源：蓋蒂圖片社

2025年8月26日 | 江門報道

在中國南部廣東省郁郁蔥蔥的大獅山山腳下，經(jīng)過預(yù)先批準(zhǔn)的訪客可搭乘一列獨特的黃色列車。不過，這列列車并非穿梭于寧靜的山水之間，而是沿著一條陡坡軌道向下行駛，最終駛?cè)肷狡孪碌暮诎抵?。乘坐列車十分鐘，再步行片刻后，訪客便能抵達一個從山體中開鑿而出的巨大洞穴。在地下500多米深處，矗立著一個由鋼材和有機玻璃制成、高達12層樓的球體——這就是江門地下中微子觀測站（JUNO）。

本周，這座耗時十年建成的巨型科學(xué)設(shè)施將正式開啟對宇宙中最難以捉摸粒子的搜尋工作。科研人員希望通過這一行動，破解基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域一個困擾了學(xué)界數(shù)十年的謎題。

中微子——它們有三種“味道”，分別是電子型、μ子型和τ子型——是一類基本粒子，是恒星和核電站內(nèi)部核反應(yīng)所產(chǎn)生的碎片。它們極其輕，沒有電荷，幾乎不與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，這意味著它們大多能在宇宙中暢通無阻、隱形穿行。（在你讀完這句話的短短幾秒鐘內(nèi)，就有數(shù)百萬億個中微子穿過了你的身體。）

中微子的存在也給粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”帶來了難題。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了已知的粒子和作用力，是人類歷史上最成功的科學(xué)理論之一，但其預(yù)測中微子應(yīng)該是完全沒有質(zhì)量的。然而，這與物理學(xué)家的實際觀測結(jié)果相悖。

一列黃色小火車載著訪客穿過1200米長的隧道，前往容納江門中微子探測器的地下建筑群。

工作人員站在探測器球體下方。圖片來源：路透社；蓋蒂圖片社

大約30年前，在日本超級神岡中微子觀測站工作的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個異常現(xiàn)象：從上方抵達探測器的μ子中微子（由高能宇宙射線與地球高層大氣中的原子碰撞產(chǎn)生）數(shù)量與理論預(yù)測相符，但從下方傳來的中微子（由地球另一側(cè)大氣中的相同過程產(chǎn)生，隨后穿過地核而來）數(shù)量卻低于預(yù)期。不久之后，加拿大薩德伯里中微子觀測站也報告了一個與太陽中微子相關(guān)的類似異常：在其探測到的中微子混合體中，電子中微子的數(shù)量過少。這些觀測結(jié)果讓科學(xué)家得出結(jié)論：中微子在穿越太空時，一定在從一種“味”轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N“味”。他們同時知道，這種“振蕩”現(xiàn)象只有在中微子具有質(zhì)量的前提下才可能發(fā)生。

“中微子物理學(xué)是超越標(biāo)準(zhǔn)模型的物理學(xué)，”加州大學(xué)歐文分校的物理學(xué)家胡安·佩德羅·奧喬亞-里庫克斯表示，他是參與江門中微子觀測站（JUNO）國際合作團隊的一員。“更深入地了解中微子質(zhì)量，是完善標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)鍵?！币虼耍T中微子觀測站的目標(biāo)之一，就是確定三種中微子中哪種質(zhì)量最大、哪種質(zhì)量最小。該觀測站的首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳估計，這項任務(wù)大約需要六年時間。

如天使輕吟

站在江門中微子觀測站的地下實驗大廳里，感覺就像置身于一座大教堂——人們的聲音在巨大的空間里回蕩，這里的溫度也遠(yuǎn)低于地面上的森林與田野。觀測站的核心是一個容器，里面裝有約2萬噸富含氫元素的液體混合物，這種液體被稱為“液體閃爍體”。絕大多數(shù)進入容器的中微子都會悄無聲息地穿過去，但有少數(shù)中微子會與液體中的質(zhì)子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生藍(lán)色閃光。容器內(nèi)壁裝有約4萬個光電倍增管，隨時準(zhǔn)備探測這些罕見的閃光。

江門中微子觀測站的任務(wù)是統(tǒng)計來自兩座核電站的中微子數(shù)量，這兩座核電站距離觀測站均為53公里。觀測站上方有大約700米厚的花崗巖山體，能有效屏蔽其他來源的中微子（例如由宇宙射線產(chǎn)生的中微子），避免其干擾主要觀測數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家清楚核電站會產(chǎn)生多少特定類型的中微子，因此到達江門中微子觀測站的中微子數(shù)量，就代表了在傳播過程中未發(fā)生“味”轉(zhuǎn)變的中微子比例——這一數(shù)據(jù)將有助于測算中微子的振蕩速率。

光電倍增管（圖中金色半球體）可探測光線并將其轉(zhuǎn)化為電信號，它們將用于捕捉中微子信號。圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所（IHEP）

而中微子的振蕩速率又與其質(zhì)量相關(guān)。與其他基本粒子不同，中微子沒有固定的質(zhì)量，相反，每種“味”的中微子都是三種不同質(zhì)量本征態(tài)（分別稱為ν?、ν?、ν?）的混合體。當(dāng)中微子在太空中傳播時，這種混合體的具體構(gòu)成會發(fā)生變化，促使中微子從一種“味”轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N“味”。

物理學(xué)家理想情況下希望測量出這三種質(zhì)量本征態(tài)的精確數(shù)值，但事實證明，這種直接觀測極具難度。不過，其他中微子實驗室的研究結(jié)果為這些質(zhì)量本征態(tài)之間的關(guān)系提供了線索。目前的證據(jù)更傾向于“正常質(zhì)量順序”，即ν?質(zhì)量輕于ν?，而ν?和ν?的質(zhì)量都遠(yuǎn)輕于ν?。另一種可能是“倒置質(zhì)量順序”，即ν?質(zhì)量最輕，ν?和ν?則處于質(zhì)量較重的一端。

江門中微子觀測站采集的數(shù)據(jù)會因真實的質(zhì)量順序不同而呈現(xiàn)細(xì)微差異，這使得科學(xué)家能夠確定“正常順序”和“倒置順序”中哪一種更有可能成立。當(dāng)觀測站完全投入運行后，預(yù)計每天能探測到約50個中微子信號。要得出具有統(tǒng)計顯著性的結(jié)果，大約需要10萬個探測數(shù)據(jù)——這也是王貽芳博士有信心在六年內(nèi)得出答案的原因。

江門中微子觀測站的主探測器外部景象（攝于其外圍水箱注水前）。圖片來源：恩里科·薩凱蒂（Enrico Sacchetti）

理論物理學(xué)家們恐怕要焦急等待了。奧喬亞-里庫克斯博士表示，自從中微子振蕩現(xiàn)象通過實驗得到證實以來，他和同行們就一直在忙著提出可能的標(biāo)準(zhǔn)模型擴展理論，以解釋中微子為何具有質(zhì)量。俄克拉荷馬州立大學(xué)的理論物理學(xué)家卡拉迪·巴布（Kaladi Babu）認(rèn)為，“倒置質(zhì)量順序”是更令人興奮的可能性，因為這將使科學(xué)家能夠驗證中微子是否就是其自身的反粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型指出，所有粒子都有對應(yīng)的反物質(zhì)粒子，反物質(zhì)粒子質(zhì)量與正粒子相同，但（除其他特性外）電荷相反。有些粒子（如光子）本身就是自己的反粒子。一系列旨在擴展標(biāo)準(zhǔn)模型的理論認(rèn)為，中微子也可能屬于這種情況。這些理論基于“蹺蹺板機制”：如果中微子與其他一些尚未被探測到的大質(zhì)量中微子相關(guān)聯(lián)，那么中微子就可能擁有極小的質(zhì)量。博洛尼亞大學(xué)的理論物理學(xué)家西爾維婭·帕斯科利（Silvia Pascoli）等學(xué)者更傾向于這種簡潔的機制。這些大質(zhì)量中微子甚至可能是暗物質(zhì)的候選者——暗物質(zhì)是另一種神秘的物理現(xiàn)象，目前只能通過其對周圍物質(zhì)的作用來間接推斷其存在。

要驗證中微子與反中微子是否真的相同，物理學(xué)家需要研究鈣、鍺等元素的放射性同位素。這些元素在發(fā)生放射性衰變時，有時會釋放出兩個電子和兩個反中微子。如果中微子確實是自身的反粒子，那么科學(xué)家應(yīng)當(dāng)能非常罕見地觀測到一種特殊的衰變過程——在這種過程中，完全不會釋放反中微子。

江門中微子觀測站主址，距離開平市約一小時車程。圖片來源：蓋蒂圖片社

如果這一假說成立，科學(xué)家需要等待多久才能觀測到這樣的現(xiàn)象，取決于中微子的質(zhì)量本征態(tài)。如果質(zhì)量順序是倒置的，那么這種現(xiàn)象的發(fā)生頻率足以讓一些高靈敏度實驗（如意大利的LEGEND實驗、西班牙的NEXT實驗或它們的后續(xù)實驗）在未來10到15年內(nèi)探測到?！斑@意味著新的物理學(xué)突破已近在眼前，”帕斯科利博士說。但如果質(zhì)量順序是正常的，這種衰變過程的發(fā)生概率可能極低，以至于現(xiàn)有技術(shù)可實現(xiàn)的探測器都無法觀測到。

來自天際

幫助解決這類學(xué)術(shù)爭議將是江門中微子觀測站最重要的科學(xué)遺產(chǎn)，但該觀測站還將使物理學(xué)家最終能夠?qū)⒅形⒆佑米鳌疤綔y工具”。例如，江門中微子觀測站將搜尋來自地球內(nèi)部深處的中微子，這將有助于揭示地幔和地殼中放射性元素的分布情況。

它還將搜尋來自被稱為“超新星”的恒星爆炸過程中產(chǎn)生的中微子。由于中微子能以光無法實現(xiàn)的方式穿透物質(zhì)，它們可以在超新星實際爆炸的光芒顯現(xiàn)之前就離開恒星并抵達地球。探測到這些中微子，將為天文學(xué)家爭取時間調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的觀測角度，從而得以實時觀測這場壯麗的宇宙爆炸。

只有當(dāng)中微子被用于此類用途——作為探索當(dāng)前人類未知領(lǐng)域的工具時——真正的“中微子時代”才會正式開啟。

探測器內(nèi)部光電倍增管的特寫。 圖片：Enrico Sacchetti

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