2025-09-15 09:30:12
【导语】编者按：“工欲善其事，必先利其器。”前沿科技探索离不开强大科研设施支撑，我国诸多长期运行的大科学装置便是国之利器。8月26日，广东江门地下(xià)700米(mǐ)传(chuán)来(lái)喜(xǐ)讯(xùn)，中(zhōng)国(guó)江(jiāng)门(mén)中(zhōng)微(wēi)子(zi)实(shí)验(yàn)（JUNO）成(chéng)功(gōng)完(wán)成(chéng)核(hé)心(xīn)探(tàn)测(cè)器(qì)2万(wàn)吨(dūn)液(yè)体(tǐ)闪(shǎn)烁(shuò)体(tǐ)灌(guàn)注(zhù)并(bìng)正(zhèng)式(shì)运(yùn)行(xíng)，旨(zhǐ)在(zài)研(yán)究(jiū)中(zhōng)微(wēi)子(zi)质(zhì)量(liàng)排(pái)序(xù)问(wèn)题(tí)。中(zhōng)微(wēi)子(zi)为(wèi)何(hé)神(shén)秘(mì)？实验装置如何设计？又能带来哪些科学突破？让我们走进江门中微子实验，揭开“幽灵粒子”的神秘面纱。
编者按：“工欲善其事，必先利其器。”前沿科技的探索，离不开强大科研设施的支持。在我国，就有许多这样长期运行的大科学装置，它们是现代科技取得突破的必要条件，也是具有重大战略意义的国之利器。本系列文章将为你揭开大科学装置的神秘面纱，带你走进它们背后的科学与(yǔ)故(gù)事(shì)。
8月(yuè)26日(rì)，广(guǎng)东(dōng)江(jiāng)门(mén)附(fù)近(jìn)700米(mǐ)深(shēn)处(chù)的(de)地(de)下(xià)传(chuán)来(lái)好(hǎo)消(xiāo)息(xi)：经(jīng)过(guò)十(shí)多(duō)年(nián)的(de)精(jīng)心(xīn)准(zhǔn)备(bèi)和(hé)建(jiàn)设(shè)，中(zhōng)国(guó)江(jiāng)门(mén)中(zhōng)微(wēi)子(zi)实(shí)验(yàn)（JUNO）终(zhōng)于(yú)成(chéng)功(gōng)完(wán)成(chéng)了(le)核(hé)心(xīn)探(tàn)测(cè)器(qì)2万(wàn)吨(dūn)的(de)液(yè)体闪烁体灌注，正式开始运行。它的使命，是用于研究宇宙中最神秘的“幽灵粒子”——中微子的质量排序问题。
那么，究竟什么是中微子，我们又是怎么探测它的呢？今天，就让我们走进大科学装置的第一站——江门中微子实验，来一探究竟吧！
01看不见的“幽灵粒子”
这项实验的主角——中微子是一种非常有趣的粒子，它和我们所熟悉的电子、夸克类似，都是组成物质的基本粒子。这里的“基本”表明，在我们现在的物理学体系里面，它们都是不可分割的。但是，比起这几种我们熟悉的粒子，中微子的存在更难被探测到，它也有着更多神秘的性质。
中微子的发现，来自于一种原子核反应——β衰变。一些放射性原子核内的中子，会释放出电子，然后自己转化为一个质子。但是在这个过程中，有一些能量却“不翼而飞”了。因此，应该还有一种难以探测的粒子，“偷走”了一部分能量。这个“小偷”就是后来人们发现的中微子。
β衰变示意图
其中最小的白色粒子是一个反电子中微子
来源：维基百科
“中”和“微”代表着，它是一种中性的，很小的粒子。中性，就是说它不带电荷，所以它不会与物质中的电子反应，也不会受到电磁场的影响。
而它的“微”更让人难以想象。对于原子核外的电子，你是否已经觉得它“很轻很轻”了？现在，科学家们虽然还不能具体地确定中微子的质量，但已知的中微子的质量上限，还要比电子再轻一百万倍。
这样中性而微小的粒子，可以笔直地穿过遥远的宇宙空间(jiān)，也(yě)可(kě)以笔直地穿过地球、穿过我们的身体……就在此时，数万亿个中微子正在穿过我们，但它们丝毫不会被我们察觉(jué)，也(yě)不(bù)会对我们产生危害。
中微子可以轻(qīng)易(yì)地(de)穿过地球
也不会受电荷的影响
来源：超级神冈实验官网
那么，中微子又是从哪里来的呢？它们主要来自于弱相互作用力相关的核反应。离我们最近的恒星：太阳，就是一个这样巨大的中微子来源。除此之外，还有超新星爆发、宇宙射线与地球大气的碰撞、地球内部的放射性衰变等等，都能够“生产”中微子。所以，中微子还是一个优秀的“信使”，为我们带来关于超新星、关于宇宙、关于地球内部结构的消息。
不同来源的中微子与它们的能量分布
来源：费米国家实验室
除了这些自然界中存在的反应，还有人工制造中微子的方法：来自加速器中的高能粒子碰撞，或者来自核反应堆中的核裂变。核反应堆产生的中微子能量较低，但数量庞大。比如，每天为我们的生活提供电力的核电站，它就有一个隐藏的“斜杠身份”——一座稳定输出的“中微子工厂”。
02大山深处的“水晶球”
江门中微子实验的装置，主要捕获的就是来自核电站的中微子。为了做到这一点，它的位置可不是随便选的。
它距离中微子源——广东阳江和台山的两座核电站都是53公里，对于这项实验的科学目标：测量中微子的质量顺序来说，恰好处于合适的距离范围。而且，这里又在大山深处，有了厚重山体的保护，再加上深埋地下，它就能够屏蔽宇宙射线的干扰，收集到分辨率更高的中微子数据。
用于收集数据的核心装置，是(shì)一(yī)个(gè)直(zhí)径为(wèi)35.4米(mǐ)的(de)有(yǒu)机(jī)玻(bō)璃(lí)巨(jù)大(dà)“水(shuǐ)晶(jīng)球(qiú)”，安(ān)装(zhuāng)在(zài)用(yòng)于(yú)屏(píng)蔽(bì)干(gàn)扰(rǎo)信(xìn)号(hào)的(de)水(shuǐ)池(chí)中(zhōng)央(yāng)。在(zài)这(zhè)个球内部，填充有有效质量2万吨的液体闪烁体。液体闪烁体的主要成分是线性烷基苯，这是一种无毒无害的有机物，也是我们日用洗涤剂的主要原材料。
安装过程中的中心探测器
来源：JUNO官网
中微子这样来无影去无踪的粒子，在经过这些液体闪烁体时，却有可能留下蛛丝马迹——一些微弱的光。这些光会被传到玻璃球外层的“火眼金睛”——光电倍增管上。
为了JUNO实验装置的建设，我国的科学家们联合企业，成功研制并量产了 20英寸微通道板型光电倍增管。它们可以将微弱的光成倍地放大，转化为可以被探测到的电信号。这就是JUNO装置探测中微子的基本方法。
这样精妙的设计，大型的工程，可不是一蹴而就的，它凝结了科学家们十多年的心血。从2008年中国科学院高能物理研究所提出构想，到2013年获得国家和地方政府的大力支持，再到2015年启动地下实验室建设，每一步都充满挑战。
好在，功夫不负有心(xīn)人(rén)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)的(de)努(nǔ)力(lì)终(zhōng)于(yú)取(qǔ)得(de)了(le)收(shōu)获(huò)。JUNO在(zài)试(shì)运(yùn)行(xíng)期(qī)间(jiān)首(shǒu)批(pī)获取的数据显示，其探测器关键性能指标全面达到或超越设计预期，它的能量分辨率也达到了国际领先的水平。
03这一次，我们能知道什么？
江门中微子实验的主要目标，是用于解答中微子的“质量顺序问题”，这又是什么意思呢？
这涉及到中微子的另一个奇特性质：中微子振荡。
用通俗的话说，这就像中微子对外有三种“身份”，而且这三种“身份”在传播的过程中还可以互相转换。这本质上的原因是，每个中微子的外在“身份”，都是由三个“内在人格”按照不同比例组合而成的。
中微子的“外在身份”
就好像穿着不同的衣服，可以改变
来源：Syracuse University
这三个“内在人格”，就是中微子的“质量本征态”，它们各自有着非常小的质量，但又有着细微的差异。因为这微小的质量差异，在一个中微子“出发”之后，它的三个“内在人格”跑起来的步调却不太相同，导致了在不同的时刻，这三者出现的比例也有多有少。在表(biǎo)面(miàn)上(shàng)看(kàn)，就(jiù)好(hǎo)像(xiàng)是(shì)中(zhōng)微(wēi)子(zi)在(zài)不(bù)停(tíng)地(de)“切(qiè)换(huàn)身(shēn)份(fèn)”一(yī)样(yàng)。
那(nà)么(me)，这(zhè)三(sān)个(gè)质(zhì)量(liàng)分(fēn)别(bié)是多少？很可惜，现在还没有实验能测定出一个精确的值。现在人们只知道，质量1和质量2之间的差距并不大，但是和质量3相差却很大。所以，这里就存在两种可能性：
两种中微子质量顺序
来源：JUNO Collaboration / JGU-Mainz
一种可能是质量3比质量1和2都大不少，科学家把它命名为“正常质量顺序”，另一种则是质量3比质量1和2都小，这种就叫做“反常质量顺序”。到底哪一种是对的呢？这就是中微子研究领域中十分重要的下一步，也就是“质量顺序问题”。它正期待着江门的全新实验装置为我们解答。
以上，就是江门中微子实验的“主线任务”，不过，这样好的探测器，当然还要更加地“物尽其用”。
所以，它还有许多“支线任务”：探测来自大气、太阳、超新星以及地球内部的其他中微子。这使它不仅能在粒子物理领域做出重大贡献，还有可能对宇宙学、天体物理、乃至地球物理都做出贡献。在这个探测器30年的使用寿命结束之后，它还可以继续升级改造，用于探索中微子领域的其他问题。
04结语
看到这里，你是不是对江门的中微子实验多了一些了解呢？不过，如果你觉得自己还是对中微子十分陌生，其实也没有关系。因为，它就是这样一种神秘的粒子，即使是科学家们，对它的认识也还有着许许多多的困惑。
不过，正是因为在它身上还有这么多的谜团，它才吸引了全球这么多的科学家为它努力。或许其中任何一个谜团的解答，都会成为打开新物理大门的一把钥匙。期待未来，中国科学家的成果能够为这个领域再添上浓墨重彩的一笔！
参考资料：
1、https://www.cas.cn/syky/202508/t20250825_5080313.shtml
2、https://www.ihep.cas.cn/dkxzz/juno/
3、张端明. 中微子 [M]. 石家庄: 河北科学技术出版社, 2019.
4、https://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/sk/neutrino/about/
5、https://neutrinos.fnal.gov/types/energies/
6、陈少敏. 后中微子振荡发现的实验进展与展望[J]. 物理, 2017, 46(1): 1-11. DOI: 10.7693/wl20170101
7、倪思洁. 地下700米的孤勇者[N]. 中国科学报, 2022-8-25.
8、汪晓莲.粒子探测技术[M].中国科学技术大学出版社,2009.
9、https://www.symmetrymagazine.org/article/how-heavy-is-a-neutrino?language_content_entity=und
10、周顺. 中微子质量的起源[J]. 现代物理知识, 2015, 27(6): 61-64.
11、https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/12/514920.shtm
12、https://mp.weixin.qq.com/s/O3Fu4bUrV-qkAeFru8dNjA
作者：张一凡
策划：刘颖 张超 李培元 杨柳
审核专家：钱森 中国科学院高能物理研究所研究员
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