中国科创新突破！700米地下锁定幽灵中微子，能否引爆物理学界？

志和

中国科创新突破！700米地下锁定幽灵中微子，能否引爆物理学界？                                                                 2025-09-30 16:45                                        

发布于：贵州省
  
2025年八月末，在广东江门地下700米深处，江门中微子实验（JUNO）已正式运行。其核心探测器是一个35米高的球形装置，内部装有2万吨液态闪烁体，外部布置了43200个光电倍增管。
该实验的主要任务是探测中微子，并研究这种基本粒子的特性。这项研究能否为人类理解宇宙基本规律带来新的突破？

1
中微子，这个听起来有些陌生的词，其实每秒都有上万亿个穿过你的身体，你却毫无察觉。它们不带电荷，质量极小，可以轻易穿透地球而不与任何物质发生相互作用，因此被称为“幽灵粒子”。
正是这种极致的“隐形”，让它们的探测成为一项巨大的挑战。江门实验之所以要深埋地下700米，就是为了利用厚重的岩层阻挡来自宇宙和地表的各种干扰信号，为中微子提供一个“清净”的探测环境。

人类对中微子的探索，始于20世纪30年代的一场科学危机。当时，物理学家在研究原子核的β衰变时，发现了一个令人费解的现象：衰变前后，能量似乎总是“短缺”了一部分。
这直接挑战了物理学最基本的定律之一——能量守恒，连著名的物理学家尼尔斯·玻尔都一度考虑放弃能量守恒。

就在这个关键时刻，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利大胆地提出了一个看似“疯狂”的假设：也许有一种我们尚未发现的粒子，带走了那些“失踪”的能量。他甚至自嘲，自己“假定了一种无法被探测的粒子”。
他所说的，正是中微子的前身。
泡利的设想在当时看起来天马行空，直到1956年，美国的两位物理学家克莱德·寇恩和弗瑞德里克·莱因斯才首次在实验中捕捉到中微子的踪迹。他们巧妙地利用核反应堆产生的大量反中微子，通过探测它们与质子相互作用的产物，成功证实了中微子的存在。
这一发现，不仅“拯救”了能量守恒定律，也为莱因斯赢得了诺贝尔物理学奖。

2
中微子被发现后，科学家们并没有就此止步，反而对它产生了更大的好奇：这个“幽灵粒子”究竟还有什么秘密？
20世纪90年代末，日本超级神冈实验传来了惊人的消息：中微子竟然会“变身”！想象一下，你看到的电子中微子，在飞行途中，竟然会变成μ子中微子，甚至τ子中微子，就像一个魔术师，不断切换自己的身份。
这种现象，被称为“中微子振荡”。

这个“变身术”的发现意义非凡。根据量子力学的原理，如果一种粒子能够发生振荡，那么它必然具有非零的静止质量。这直接推翻了粒子物理标准模型的预言，标准模型认为中微子是没有质量的，就像光子一样。
中微子有质量的发现，意味着标准模型并不完善，宇宙中可能存在我们尚未理解的“新物理”。
要知道，我们目前能解释的宇宙物质只占总量的5%，剩下的95%是神秘的暗能量和暗物质。中微子有质量的发现，无疑为我们打开了一扇通往这些未知领域的大门。

中微子，或许就是解开宇宙终极奥秘的关键钥匙。
中国科学家在这一探索历程中也贡献了关键力量，2012年，大亚湾中微子实验率先发现了中微子的“第三种振荡模式”。这一发现进一步揭示了中微子“变身术”的复杂性，并且精确测量了关键的物理参数。
这项成果，当年被《科学》杂志评为十大科学突破之一，让中国在国际高能物理领域占据了一席之地。

3
如今，江门中微子实验（JUNO）正式运行，它承载着大亚湾实验的衣钵，将挑战更深层次的科学难题。JUNO最核心的目标，就是确定中微子的“质量顺序”。
中微子有三种类型，它们各自的质量到底是多少？更重要的是，它们质量的大小排序是怎样的？是像“两轻一重”那样，有两种较轻的中微子和一个较重的中微子（被称为“正常层次”），还是“两重一轻”，即两种较重的中微子和一个较轻的中微子（被称为“倒置层次”）？

这听起来似乎只是一个简单的排序问题，但它背后蕴含的科学意义却极为深远。中微子的质量顺序，直接关系到宇宙诞生时，为什么物质会比反物质多出那么一点点。
如果物质和反物质的数量完全相等，它们在宇宙大爆炸后就会完全湮灭，今天的宇宙根本不会存在。正是这种微妙的不对称性，才造就了我们所看到的一切。
中微子的质量顺序，可能就是揭示这种不对称性机制的关键线索之一。

为了完成这一艰巨任务，江门实验的设计可谓巧夺天工。探测器特意建造在距离多个核反应堆约50公里的地方。核反应堆在核裂变过程中会源源不断地产生大量中微子，这些中微子将作为实验的“探针”，穿过地球，最终抵达JUNO的探测器。
当这些“幽灵粒子”穿过有机玻璃球内的特殊液体时，极少数幸运的中微子会与液体中的原子发生碰撞，产生微弱的闪光。这正是43200个“金眼”大显身手的时候，它们能够捕捉到这些微弱的光子，并将其转化为电信号。

通过精确分析这些电信号的时间、强度和空间分布，科学家们就能重建中微子的“轨迹”和“能量”，从而推断出中微子的类型和它们在飞行过程中发生的“变身”情况。
这项任务的难度，超乎想象。中微子与物质相互作用的概率极低，据说一万亿个中微子中，可能只有一个会被探测到。而且，探测器内的液体纯度要求极高，比普通蒸馏水还要干净上百万倍。
任何微小的杂质，都可能产生干扰信号，影响实验结果。这种严苛的纯度要求，甚至让科学家们在作业时都小心翼翼，生怕掉一根头发丝进去。

4
目前全球有多项中微子研究项目，包括日本正在建设的Hyper-Kamiokande实验。江门中微子实验（JUNO）已率先建成运行，这使中国科研团队有机会在确定中微子质量顺序这一关键问题上取得突破。
除核心目标外，该实验还将精确测量中微子质量参数，探究其是否具有马约拉纳粒子特性，并寻找可能存在的惰性中微子——这类粒子或与宇宙暗物质构成有关。

从20世纪30年代中微子理论提出至今，相关研究已近百年。江门实验装置配备的43200个探测单元，正在对基础物理问题进行系统性探索。
该实验获得的数据可能为粒子物理和宇宙学研究开辟新方向。中国科研团队通过此类大科学装置，正在基础研究领域发挥日益重要的作用。