China’s ‘ghost particle’ machine rewriting our understanding of the universe

在中國一座未來主義的地下天文臺，粒子物理學家希望通過研究中微子，揭開科學的最大秘密

山坡深處的一個球體將受到中微子的轟擊，由全球科學家團隊進行測量

2025年9月16日星期二，下午6點15分（英國夏令時），《泰晤士報》

它們有時被稱為“幽靈粒子”，因為它們如此神秘。任何不知道亞原子中微子是什么或它們如何運作的人都可以放心了：到目前為止，即使是世界上最聰明的人也對此不太確定。

但如果中國科學院的王貽芳、來自世界各地的 700 名物理學家合作者以及深埋在郁郁蔥蔥的綠色山坡下的一個充滿液體的巨大球體能夠成功，這種情況很快就會改變。

截至目前，球體內部裝有2萬噸被稱為“液體閃爍體”的物質，正持續受到來自兩座等距相鄰核電站穿過地面的中微子的轟擊。球體是一個薄如晶片的丙烯酸泡沫，內部則被包裹在一個裝有4.5萬噸純水的 保護性圓柱體中。

可以通過山坡上 1000 米深的通道參觀江門的地下巢穴

新華社/ALAMY

這些中微子與閃爍體中的質子碰撞，以每天約50次的頻率釋放出微小但可記錄的閃光。世界各地的物理學家團隊正在遠程監測、測量中微子的質量并對其進行排序。中微子有三種“類型”，其性質和等級對于理解宇宙的構成要素至關重要。

“我們即將了解中微子質量的層級結構，”王教授略帶興奮地告訴《泰晤士報》。“通過了解這一點，我們可以建立粒子物理學、中微子物理學和宇宙學的模型。”

亞原子粒子的本質與宇宙的本質和歷史等重大問題之間的聯系眾所周知，盡管難以解釋。“這與我們對宇宙的理解息息相關，”王補充道。

他說的“很快”指的是六年。按照每天50次的速度，六年就能產生所需的10萬次“閃光”，從而獲得具有統計意義的讀數。它的精度令人滿意，王相信實驗不會失敗。

中微子是物質的三種亞原子“構造塊”之一，另外兩種是夸克（有六種類型）和帶電輕子（也有三種類型）。

與粒子物理學的許多發現一樣，中微子的存在早在實驗證明其存在的幾年前就已被假設。

正在建設中的江門地下中微子觀測站（JUNO）中心探測器

邱新生/VCG VIA GETTY IMAGES

事實上，1930年預言了這些粒子的奧地利物理學家沃爾夫岡泡利（Wolfgang Pauli）為他的發現道歉，他說：“我做了一件可怕的事情。我假設了一種無法探測到的粒子。”他用一箱香檳打賭說，沒有人能探測到這種粒子。

二十五年后，泡利輸掉了這場賭注。但王的液體閃爍體和丙烯酸球——上個月在中國南方廣東省啟用的設施的核心——是同一過程的另一種迭代，旨在證明物理學家已經得出但尚未實際觀察到的結論。

江門地下中微子觀測站（簡稱“朱諾”）將對來自陽江和臺山兩座核電站的中微子進行受控測量。兩座核電站相距53公里，而江門是理想的地點——它需要等距，但又需要有一座山可以埋藏。

中微子來自太陽射線、宇宙射線、核裂變和爆炸的超新星，不受物質阻擋，在宇宙中肆虐，自由穿過地球，甚至穿過生活在地球上的人類——因此被稱為“幽靈粒子”。

泡利認為它們根本沒有質量，但發現它們有三種形式——電子、μ 子和 τ 子——改變了這一理論。

分析這些形式如何相互作用——特別是它們如何從一種形式振蕩到另一種形式——應該能為亞原子世界的許多最大秘密提供線索，例如“物質”與“反物質”的關系，以及為什么物質比平衡反物質更多的未解問題。

工人將光電倍增管安裝到中微子探測器上

JADE GAO/法新社/蓋蒂圖片社

與反物質概念的聯系，以及亞原子粒子對我們理解黑洞和超新星或爆炸恒星的宇宙學意義，在過去給該領域的研究帶來了轟動效應。

2008 年，當粒子物理研究領域的龐然大物——歐洲核子研究中心大型強子對撞機在日內瓦郊外投入使用時，其科學家們不得不向興奮的記者保證，它不會引發吞噬地球乃至整個銀河系的巨大黑洞。

美國陰謀論者目前手頭上還有許多其他工作要做，這或許是件好事。江門那座充滿未來感、詹姆斯邦德風格的地下巢穴，可以通過一條鑿入山坡1000米的通道進入，與中國兩座核電站形成一個三角形，這將是一個不容忽視的精彩劇情轉折。

但事實上，合作才是游戲的名稱，而不是當今中國與西方關系中最顯著的國際競爭。

江門中微子項目是中國另一個中微子項目的后續項目，該項目位于廣東東部的大亞灣，美國科學家也參與其中。

美國并未參與江門項目，但合作伙伴仍然來自俄羅斯、歐洲以及英國華威大學等地。美國和日本正在建設另外兩個中微子研究項目，分別針對這些神秘粒子的疑問展開研究。

該項目建設成本為 3 億美元，遠低于美國和日本的類似項目

新華社/ALAMY

中國在實驗物理學領域占據領先地位已不再令人意外。隨著中國經濟的增長，基礎研究的資金投入也隨之增加，而中國的教育體系長期以來也高度重視數學和科學。

但與此同時，在中微子測量和紡織品制造方面，中國仍然具有成本優勢。

“中國的土木工程仍然很便宜，”王說。朱諾號還擁有核電站，可以提供所需的中微子。“我們的實驗便宜得多。”他說。“這就是我們說服資助機構的方法——這就是我們利用自身優勢的方法。”

該項目耗資3億美元。日本的中微子項目耗資約10億美元，美國明尼蘇達州的中微子項目耗資35億美元。

在完成測量中微子振蕩的工作后，該設備將進行升級并用于其他用途。首先，它將尋找另一個尚未證實的理論的證據，即無中微子雙β衰變。該理論令人困惑地假設中微子是它們自己的反粒子。

或許更令人興奮的是，它有可能用來測量超新星——如果在該設施30年的使用壽命內發現超新星的話。自從300年前中國天文學家發現現在被認為是超新星的那顆超新星以來，銀河系就再也沒有出現過超新星，所以現在是時候發現一顆了。

王說：“在我們銀河系，每100年應該會出現一次中微子；而我們已經有300年沒遇到過一次了。” 鑒于超新星99%的能量都是以中微子的形式傳輸的，朱諾號將有很多可以利用的資源。