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

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，經過預先批準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，最終駛入山坡下的黑暗之中。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設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，破解基礎物理學領域一個困擾了學界數十年的謎題。

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，是恒星和核電站內部核反應所產生的碎片。它們極其輕，沒有電荷，幾乎不與其他物質發生相互作用，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，就有數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的“標準模型”帶來了難題。標準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理論之一，但其預測中微子應該是完全沒有質量的。然而，這與物理學家的實際觀測結果相悖。

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。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家發現了一個異常現象：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生）數量與理論預測相符，但從下方傳來的中微子（由地球另一側大氣中的相同過程產生，隨后穿過地核而來）數量卻低于預期。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，電子中微子的數量過少。這些觀測結果讓科學家得出結論：中微子在穿越太空時，一定在從一種“味”轉變為另一種“味”。他們同時知道，這種“振蕩”現象只有在中微子具有質量的前提下才可能發生。

“中微子物理學是超越標準模型的物理學，”加州大學歐文分校的物理學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量，是完善標準模型的關鍵。”因此，江門中微子觀測站的目標之一，就是確定三種中微子中哪種質量最大、哪種質量最小。該觀測站的首席科學家、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳估計，這項任務大約需要六年時間。

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”。絕大多數進入容器的中微子都會悄無聲息地穿過去，但有少數中微子會與液體中的質子發生碰撞，從而產生藍色閃光。容器內壁裝有約4萬個光電倍增管，隨時準備探測這些罕見的閃光。

江門中微子觀測站的任務是統計來自兩座核電站的中微子數量，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（例如由宇宙射線產生的中微子），避免其干擾主要觀測數據。科學家清楚核電站會產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量，就代表了在傳播過程中未發生“味”轉變的中微子比例——這一數據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化為電信號，它們將用于捕捉中微子信號。中國科學院高能物理研究所（IHEP）

而中微子的振蕩速率又與其質量相關。與其他基本粒子不同，中微子沒有固定的質量，相反，每種“味”的中微子都是三種不同質量本征態（分別稱為ν?、ν?、ν?）的混合體。當中微子在太空中傳播時，這種混合體的具體構成會發生變化，促使中微子從一種“味”轉變為另一種“味”。

物理學家理想情況下希望測量出這三種質量本征態的精確數值，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果為這些質量本征態之間的關系提供了線索。目前的證據更傾向于“正常質量順序”，即ν?質量輕于ν?，而ν?和ν?的質量都遠輕于ν?。另一種可能是“倒置質量順序”，即ν?質量最輕，ν?和ν?則處于質量較重的一端。

江門中微子觀測站采集的數據會因真實的質量順序不同而呈現細微差異，這使得科學家能夠確定“正常順序”和“倒置順序”中哪一種更有可能成立。當觀測站完全投入運行后，預計每天能探測到約50個中微子信號。要得出具有統計顯著性的結果，大約需要10萬個探測數據——這也是王貽芳博士有信心在六年內得出答案的原因。

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）。恩里科薩凱蒂（Enrico Sacchetti）

理論物理學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準模型擴展理論，以解釋中微子為何具有質量。俄克拉荷馬州立大學的理論物理學家卡拉迪巴布（Kaladi Babu）認為，“倒置質量順序”是更令人興奮的可能性，因為這將使科學家能夠驗證中微子是否就是其自身的反粒子。

標準模型指出，所有粒子都有對應的反物質粒子，反物質粒子質量與正粒子相同，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。一系列旨在擴展標準模型的理論認為，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量中微子相關聯，那么中微子就可能擁有極小的質量。博洛尼亞大學的理論物理學家西爾維婭帕斯科利（Silvia Pascoli）等學者更傾向于這種簡潔的機制。這些大質量中微子甚至可能是暗物質的候選者——暗物質是另一種神秘的物理現象，目前只能通過其對周圍物質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，物理學家需要研究鈣、鍺等元素的放射性同位素。這些元素在發生放射性衰變時，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，那么科學家應當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。蓋蒂圖片社

如果這一假說成立，科學家需要等待多久才能觀測到這樣的現象，取決于中微子的質量本征態。如果質量順序是倒置的，那么這種現象的發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實驗或它們的后續實驗）在未來10到15年內探測到。“這意味著新的物理學突破已近在眼前，”帕斯科利博士說。但如果質量順序是正常的，這種衰變過程的發生概率可能極低，以至于現有技術可實現的探測器都無法觀測到。

來自天際

幫助解決這類學術爭議將是江門中微子觀測站最重要的科學遺產，但該觀測站還將使物理學家最終能夠將中微子用作“探測工具”。例如，江門中微子觀測站將搜尋來自地球內部深處的中微子，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生的中微子。由于中微子能以光無法實現的方式穿透物質，它們可以在超新星實際爆炸的光芒顯現之前就離開恒星并抵達地球。探測到這些中微子，將為天文學家爭取時間調整望遠鏡的觀測角度，從而得以實時觀測這場壯麗的宇宙爆炸。

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

探測器內部光電倍增管的特寫。 圖片：Enrico Sacchetti