幽灵般的中微子：如何给“宇宙幽灵三胞胎”称体重

作者：罗会仟 中国科学院物理研究所

2024年10月10日，位于广东江门地下700米的大科学装置——江门中微子实验传来好消息，安装完成了世界上最大的有机玻璃球并建设了95%的中心探测器，预计11月底完成全部设备安装，随后启动超纯水和液体闪烁体的灌装，2025年8月正式运行取数。

那么，什么是中微子？为什么要探测并研究中微子呢？江门中微子实验为什么要建造如此巨大的有机玻璃球？我们可以期待什么科学发现呢？今天我们一起走近江门中微子实验装置，了解中微子的相关研究故事。

“中微子”这个名字曾经被“中子”张冠李戴，因为人们发现β衰变前后能量似乎不守恒，泡利起初把这部分丢失的能量归结为一种电中性且静止质量为零的粒子，取名为“中子”(neutron)，但是后来查德威克发现了原子核内部具有质量且也是电中性的中子，于是费米把泡利说的零质量的“中子”改名叫做中微子(neutrino)。

三种不同的中微子

后来大家发现，其实中微子就是中子衰变的“幽灵粒子”，中子会衰变成一个电子、一个质子，加上一个中微子。如今，人们已经摸清楚了中微子家族实际上是“三胞胎”：分别是电子中微子、缪子（μ子）中微子和陶子（τ子）中微子。对应的，它们还有“表兄弟三胞胎”，也就是它们各自的反粒子。由于弱相互作用宇称不守恒，中微子和反中微子的手性不同，一群是“左撇子”，另一群是“右撇子”。

有了中微子家族，基本粒子的标准模型就显得十分完美。但关键问题是，在标准模型里面中微子本来应该没有静止质量——也就说符合泡利当初的预期。但是后来实验结果却出人意料，越来越多的证据说明中微子可能具有静止质量。所以，中微子是唯一一个让标准模型显得不完美的粒子，科学家因此特别关注它。目前，关于中微子的研究已经获得4次诺贝尔物理学奖，但是对幽灵般的中微子的理解才刚刚开始。

要说明中微子的性质是否符合理论预期，首先需要去想办法探测它。虽然自然界的中微子很多很多，无论在地球哪个角落，每秒钟大约会有1000万亿个中微子穿过你的身体。但是，它不怎么与其他粒子发生作用，大约100亿个中微子中的1个会与原子核发生反应，产生速度较高的电子、缪子或陶子等带电粒子。这些带电粒子的运动会在液体中进一步出现切伦科夫辐射，也就是放出光子，正是通过探测这些微弱的光子来反推中微子的存在。中微子的探测器要足够大——尽可能增加探测的体积，足够暗——尽可能屏蔽其他光子或宇宙射线的干扰，足够透——探测介质要尽可能透明让放出的光子抵达探测器。

日本的超级神冈中微子探测器

从1930年泡利提出中微子的概念，到正式探测到核反应堆产生的中微子已经是1956年。随后的1962年，美国科学家发现了μ子衰变产生的中微子；1968年，研究了太阳中微子；1987年，日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。也就是说，中微子可以在核反应堆、太阳核聚变、超新星爆发等剧烈核反应过程中出现。这些实验可以告诉我们一个共同的事实，中微子的静止质量真的很可能不为零！但麻烦的是，我们并不知道中微子三胞胎里哪个是哥哥，哪个是弟弟，也就是它们的“体重”顺序。这是因为，中微子在运动过程中会互相“变身”，也就是三胞胎之间会随时发生身份转换，比如电子中微子会变成缪子中微子或陶子中微子，如何变身则取决于中微子的能量和运动方向。所以，即使你观测到一个中微子，它极有可能并不是此前的那个中微子，也不是此后的那个中微子，这个时候再想认出是哥哥还是弟弟，简直不要太迷茫！

中微子的变身称之为“中微子振荡”，此前在太阳中微子和大气中微子实验中都被观测到。2012年3月8日，我国的大亚湾反应堆中微子实验确定了第三种中微子震荡模式。接下来的任务，就是需要进一步做更加精确的实验，来想办法给中微子三胞胎“称体重”，确定中微子振荡的具体参数。大亚湾实验装置在2020年12月12日正式退役，接替它的就是江门中微子实验装置，简称JUNO。JUNO从2019年7月开工建设，预计2024年11月基本完工，2025年正式开始中微子探测实验。

江门中微子实验探测器

JUNO装置位于广东开平金鸡镇打石山地下700米。如果进入实验大厅，就发现一个巨大的球形探测器，被牢牢固定在直径43.5米、深44米的圆柱形“水桶”里。探测器由一个直径41米的不锈钢网壳，内部包裹着一个直径35.4米的有机玻璃球，有机玻璃球里面则将装上2万吨液体闪烁体以及45000只光电倍增管，这整整比大亚湾实验的20吨液闪探测器大了1000倍！这个有机玻璃球也成为了世界最大的单体有机玻璃结构，于2024年10月10日正式完工。为什么需要如此巨大的球体呢？这是因为要尽可能地“俘获”中微子让其发生反应，放出的微弱光子抵达光电倍增管之后，光信号转换成电信号并被放大1000万倍，最终被探测器接收。球形的结构就是为了更准确地给出中微子的能量和位置信息，所以这个有机玻璃球加上光电倍增管需要越圆越好。为了尽可能屏蔽岩石放射性以及甄别宇宙线引起的假中微子信号，玻璃球外的“水桶”里还将灌满35000吨超纯水。这样整个有机玻璃球就像海洋里的一颗璀璨明珠一样，静静地等候中微子的到来。

江门中微子实验的科学目标，除了给中微子三胞胎“称体重”——也就是确定其质量顺序之外，还会给他们“量身高”——精确测量相关的中微子振荡参数，同时我们还可能期待发现新型的中微子或者类似中微子的新粒子。此外，JUNO还将用中微子给地球做“透视”，也有可能探测到来自超新星爆发等宇宙极端事件产生的中微子。同期和JUNO竞争的装置有美国深层地下中微子实验（DUNE）和日本顶级神冈探测器（Hyper-K），目前进度来看JUNO有可能是最早开始计数的。预计2030年左右，江门中微子实验会进一步升级改造为世界最大的无中微子双β衰变实验，由此可以完全测量中微子绝对质量，从而判断其反粒子是否是其自身。江门中微子实验装置计划运行30年，让我们一起期待未来还会有许多激动人心的发现！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：罗会仟

审核：张双南

出品：中国科协科普部

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