首页科技快讯地下700米的国之重器运行取数，四万只金眼能否发现新物理？

地下700米的国之重器运行取数，四万只金眼能否发现新物理？

来源：晰数塔互联网快讯时间：2025年09月29日 09:52

本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：嘉伟

2025年8月26日，江门中微子实验（JUNO）成功完成2万吨液体闪烁体灌注，并正式运行取数。该实验有望测定有关三种中微子的重要物理参数。

本文将努力通俗解答理解该实验装置的几个必要问题，包括报道中常见的“中微子振荡”到底是什么？大亚湾中微子实验室证实存在的“中微子的第三种振荡模式”又是什么？中微子的质量顺序是指什么？这些实验背后的物理和数学机制都有哪些？由此，我们可以了解该实验能对粒子物理所做的贡献。

撰文|嘉伟

我们的宇宙是令人叹为观止的奇迹。根据当前宇宙学主流模型（ΛCDM模型），它由大约68%的神秘暗能量、27%的隐秘暗物质、4.9%的常规物质、0.1%的中微子以及0.01%的微弱电磁辐射（如宇宙微波背景辐射CMB）构成。

若是撇去至今仍牢牢守护着自己秘密的暗能量和暗物质，人类科学目前仅能解释和描述至多占比5%的“常规物质”+中微子+弱辐射能量。我们甚至对中微子也不敢说知之甚详。它们形如鬼魅，是名副其实的幽灵粒子——事实上，时时刻刻都一直有数十亿的中微子穿过你我的身体，却丝毫不被察觉。

今年8月末，中微子实验研究史上的最了不起的工程之一——中国江门中微子实验（Jiangmen underground neutrino observatory，JUNO）正式运行。这项大科学装置的独特之处在于，它建于地下700米深处，核心是一座高达35米的有机玻璃球体，其内部装有2万吨具有特殊材料性质的液体（即线性烷基苯作为闪烁液基底）；球体周围分布着43200个不同大小规格的光电倍增管，能够以收集光电子的方式探测特殊液体中的微弱闪光。按实验目的的要求，它特意建造在距离可以产生中微子的核反应堆50公里的地方，已有的核裂变反应堆正是实验所需的持续中微子源。

它是继大亚湾反应堆中微子实验后另一超大型中微子实验设施，有望让我国粒子物理学的实验研究进入国际超一流行列。

我们怎么知道中微子存在？

我做了一件可怕的事，我假定了一种无法被探测的粒子。

——沃尔夫冈·泡利

20世纪20年代，物理学家分析原子核的β衰变时发现了一个奇怪现象：衰变产物的能量并不守恒！

按照经典物理学，衰变后的电子和质子应该有固定能量，但实验显示衰变所释放的电子的能量是连续分布的。也就是说，有部分能量消失了，这令当时的物理学家非常困惑。面对这个严峻挑战，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）甚至试图假定发生β衰变时能量不守恒。

1930年，著名的奥地利理论物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）就此提出一大胆假设：“为了拯救能量守恒定律，我不得不假设存在一种未被发现的粒子。”

他认为原子核在β衰变中，除了释放电子和质子或其它原子核，还会产生一个质量极小甚至为零、不带电荷、几乎不与物质相互作用的粒子——他称之为“中性粒子”。意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）后来将这种粒子改命名为带有意大利词语风格的“neutrino”，意为“小中性粒子”，即中微子。1933年费米进一步建立了第一个定量描述β衰变的理论框架，把泡利假设的中微子纳入其中。顺便提一句，吴健雄后来通过实验证实了费米β衰变理论的正确性。

此后就是物理学家和中微子斗智斗勇，且延续至今的探索之旅。首先要解决的问题就是，中微子真的存在吗？

1942年，中国核物理学家、“两弹一星”功勋之一的王淦昌先生在抗日战争时期西迁到贵州遵义的浙江大学时，首次提出使用K层轨道电子俘获的β衰变来探测中微子的存在。1956年，两位美国实验物理学家克莱德·寇恩（Clyde Cowan）和弗瑞德里克·莱因斯（Frederick Reines）设计了一个巧妙的反β衰变实验：利用核裂变反应堆产生大量反中微子。

他们俩在一个装满水的探测器中寻找反中微子与质子碰撞产生的迹象。反应产物是一个中子和一个正电子。通过探测这些产物，他们首次“探测”到了中微子，并迅速发电报把确切探测到中微子的好消息及时告诉泡利。这项成果让莱因斯获得了1995年诺贝尔物理学奖（此时其合作者寇恩已去世，未能获奖）。

实验找到中微子的存在证据，就完美解决了β衰变的能量（不）守恒问题。接下来物理学家希望能搞清这种神秘粒子的性质，比如说测得中微子的质量……然而，他们不得不面对一个残酷的事实：极难探测！

那么退而求其次，起码要确定中微子是否具有质量吧？如此基础的问题，回答起来也颇费周折。

中微子振荡到底是什么？

亚原子粒子都很古怪，中微子更是另类中的另类。它们的质量即便不是零，也绝对非常之小；它们接近光速传播，还几乎不与正常物质相互作用；对于中微子来说，宇宙中的一切就像是一层幻象，可以被轻易穿透；当然，尽管不带电荷，它们的传播方向也会受到宇宙时空中分布的引力透镜而发生偏转。就实验探测而言，要想测量确定中微子的质量，难度极高。

另一方面，根据现代粒子物理理论之集大成者——粒子物理标准模型的理论预言，中微子的质量应该为零。也就是说，它和光子一样，没有所谓的静止质量。

标准模型理论中的中微子是只有左手性（left-handed）的粒子和其相应的右手性（right-handed）反粒子。在标准模型理论框架下，这种单一的手性结构使得中微子无法与希格斯粒子场（Higgs field）进行相互作用。然而希格斯粒子场正是赋予各种基本粒子质量的物理机制。

1968年，美国物理学家瑞蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）在美国南达科塔州（South Dakota）的霍姆斯塔克（Homestake）实验室（一个位于地下的废弃矿井）用氯水来探测来自太阳的电子中微子，实际观测值约为理论预测值的1/3。在几十年间，这个问题被称为“太阳中微子缺失”困惑。对应的，还有所谓的“大气中微子反常”，指宇宙射线在地球大气层散射所产生中微子的实际数量也与理论计算不符。

随后，日本东京大学的物理学家小柴昌俊领导建设的神冈（Kamiokande）探测器（该项目原本的目标是检测质子是否衰变），进一步确认了来自太阳的电子中微子的存在，及其缺失问题，并且于1987年又意外且幸运地观测到距离相对近的超新星1987A的中微子爆发。

2002年，瑞蒙德·戴维斯和小柴昌俊因在天体物理中开辟中微子探测窗口而共享了当年的诺贝尔物理学奖。后者更是开启了日本的中微子探测基地——神冈系列，其研究成果诞生了至少两位诺贝尔奖得主。

那么，那些丢失的太阳电子中微子去哪里了呢？在粒子物理中，“味”（flavor）是一个用来区分基本粒子种类的量子属性。它是一种量子数，用来标识粒子在弱相互作用中的身份。我们目前知道，中微子有三种味，也就是说有三种不同类型的中微子，即电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。为了回答太阳电子中微子缺失问题，人们猜测不同来源的各类中微子（太阳、大气、反应堆、加速器）都会“变味”——也就是它们在传播中改变身份。这种现象就是所谓的中微子振荡，即三种中微子在传播过程中相互转换。

根据量子力学的基本原理，如果一种粒子能够发生振荡或变换，那么它必然具有非零的静止质量。换句话说，中微子振荡现象超出了标准模型物理的适用范畴，这也实实在在地从实验探测的角度提供了一个发展超越现有标准模型理论的难得契机和重要理论切入点。这种类型的突破口恐怕远比通过假设存在诸多暗物质粒子来寻找超越标准模型的新物理有意义。

各位可能看过图4，一般说它是物理学上最长的方程之一——标准模型理论中的拉格朗日量。因为它包含许多项和因子，解释了标准模型理论中所有可能的相互作用和对称性。在现有的物理内容里，囊括了除中微子振荡外所有的已知实验现象。

图4标准模型理论中的拉格朗日量，出自加州理工州立大学物理学教授托马斯·古铁芮兹（Thomas Gutierrez）读博时期整理的讲义，基于诺贝尔奖得主荷兰理论物理学家韦尔特曼（MartinusJ.G.Veltman）教授的理论著作Diagrammatica：The Path to Feynman Diagrams。古铁芮兹提到他在转录过程中可能有一个符号错误，鼓励“运气好的读者将其找出来”。实际上，人们使用这个方程时，只会用到其某种简短近似的形式。|图源：Thomas Gutierrez&Martinus Veltman

2001年，加拿大的天体物理学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur Bruce McDonald）领导的团队利用位于地下2.1公里的萨德伯里微中子观测站实验室（SNOLAB），实测推证了源于太阳的电子中微子确实存在振荡现象。也就是说，太阳中微子确实具有极小的静止质量。他因此与梶田隆章（Takaaki Kajita）共同获得了2015年诺贝尔物理学奖。梶田隆章依靠在神冈中微子探测器同一矿井更深处建造的、规模约为前者25倍的超级神冈（Super-Kamiokande，英文缩写SK）探测器，于1998年宣布找到了（大气）中微子振荡的第一个证据。

切伦科夫辐射和日本神冈实验系列

超级神冈地下实验借助切伦科夫辐射（Cerenkov radiation）现象来“捕捉”中微子信号。

什么是切伦科夫辐射呢？物体以超音速运动时，它所产生的声波还来不及离开物体，因此在波前“堆积”了起来，形成所谓的马赫锥，这就是音爆。而切伦科夫辐射可以通俗地理解成物体超越声速时音爆的电磁波版本：当一个带电粒子速度超越介质中（通常是绝缘体）的光速时，就会产生“光子震波”从而形成切伦科夫光锥。

图6是一张非常经典的照片，是美国爱达荷国家实验室（Idaho National Laboratory）的先进测试核反应堆（Advanced Test Reactor缩写ATR）的堆芯。画面中读者能看到堆芯在水下发出的明亮蓝光，正是由于高能带电粒子（主要是核裂变产生的高能电子）在水中的运动速度超过光波在水中的相速度，从而产生切伦科夫辐射。

根据狭义相对论，具有静质量的物体运动速度不可能超过真空中的光速c，但光波在介质中的传播速度（相速度）是小于c的，例如在水中（水的折射率n≈1.33）光波仅以约0.75c的相速度传播，故一个粒子是完全可以被加速到超过电介质中的光波相速度，加速粒子的来源可以是核反应或者是高能粒子加速器等。

超级神冈实验室建设在日本岐阜县神冈町地下1000米的废弃矿井中。该探测器装有5万吨超纯水和11200个直径50厘米的光电倍增管。中微子本身几乎不与物质作用，但在极少数情况下，会与水分子中的电子或原子核发生弹性散射。这种碰撞会产生高速带电粒子（如电子和μ子）。在这里顺便一提，2001年，日本超级神冈探测器的光电倍增管曾发生过大规模爆炸损毁事故，致使实验进程严重受挫。

探测器水箱内壁布满的上万个金色光电倍增管，能探测高速带电粒子在水中产生的切伦科夫辐射，将极其微弱的光子转化为电信号。通过光到达的时间差和空间分布，计算模型可以反推出粒子的能量、方向，甚至判断中微子的来源（如太阳、大气、超新星或高能粒子加速器等，这里忽略宇宙时空中的引力透镜效应），并进一步重建出粒子轨迹和能量，从而识别出中微子事件并区分不同类型（即电子型、μ子型等）。

顺便一提，南极冰层中的大约1立方公里的IceCube实验装置用机器学习的方法还从其累积十年的数据中分析出了7个来自宇宙时空的高能τ子中微子，相关文章2024年发表在PRL上（Physical Review Letters）。

为了让中微子产生的微弱切伦科夫光子顺利到达光电倍增管，水必须极度纯净。超纯水纯度远高于我们日常能接触的蒸馏水，几乎只含有水分子。严格来说，超纯水是中性的，但它极为“渴望”溶解物质。在维护作业时，研究人员会划着橡皮艇，漂浮在巨大水箱里，更换或修理水箱壁上的光电倍增管。

图8在一个15层楼高、上万多个金色“灯泡”（光电倍增管）环绕的水箱里划船作业，场景相当梦幻浪漫。|图源：ICRR，东京大学

据说有科学家在皮划艇里工作时不慎让头发沾到超纯水，虽然沾到超纯水的头发只有约3厘米，但几个小时后此人经历了人生中最难熬的头皮瘙痒。此外在2000年大检修时，工作人员把水箱排空，结果在底部发现了一把“扳手的遗骸”，原来是1995年建设时有人掉落的，经过多年浸泡，金属已经被超纯水溶解得模糊不清。

如今，日本又在建造历史上最大的水-切伦科夫探测器——超级神冈的再一次大规模升级版，英语称为Hyper-Kamiokande。东京大学已正式完成它的大型地下洞窟的挖掘工作。挖掘出的穹顶部分宽69米、高21米，圆柱部分高达73米，是岩床中罕见的特大型空间。相关的关键实验仪器也送到位于瑞士和法国交界处的欧洲核子研究组织（CERN）进行精准的标定测试。

Hyper-Kamiokande用于探测中微子的物理性质，再进一步寻找质子是否有衰变迹象，以此来严格检验粒子物理中的大统一理论（GUT）的关键预言。

Hyper-Kamiokande实验与我国的江门地下中微子实验存在良性竞争关系，双方都计划测量中微子的质量顺序。但我们已经先建好了，有望率先获得实验结果。

什么是中微子的质量顺序？

一个残酷的事实是，我们无法通过观察中微子如何在三种中微子之间的振荡变换来测量中微子的质量，这就造成了很多困难。特别是，我们仍然不确定在三种中微子中到底是较轻的中微子和一个（相对较）重的中微子，还是两个（相对较）重的中微子和一个较轻的中微子。从目前掌握的数据来看，第一种情况似乎更有可能发生，因此被称为“正常层次结构”；第二种情况被称为“倒置层次”。这就是所谓的质量顺序。

江门实验可以帮助我们找出正确的层次结构，同时有望解决其多个问题。比如说，确定庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵（Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Matrix，PMNS）矩阵的参数。

PMNS矩阵是粒子物理学中描述中微子振荡现象的3×3幺正矩阵，它刻画了三种“味”与质量的混合关系。因为中微子会“变味”，所以每种味态中微子实际上是不同质量态中微子的叠加。而矩阵里的参数就可以量化其混合程度。

在此之前，物理学家已经确认了两种中微子振荡参数：

太阳中微子振荡（θ₁₂主导）——解释了“太阳中微子之谜”，即探测到的太阳中微子数量比理论预测少。

大气中微子振荡（θ₂₃主导）——解释了“大气中微子之谜”，即来自不同方向的大气中微子比例异常。

而“中微子的第三种振荡”，也就是涉及θ₁₃混合角的振荡模式，一直没有实验结果。长期以来，很多理论甚至怀疑θ₁₃可能为零，亦即这种振荡根本不存在。

直到2012年3月，现在已经光荣退役的大亚湾核反应堆中微子实验在激烈的国际竞争中脱颖而出，率先证实存在第三种中微子振荡模式，并精确测量了θ₁₃混合角的数值。振荡几率约为9.2%±1.7%，远高于许多理论家的预期。中国中微子实验研究团队在国际高能物理舞台上取得了里程碑式成果，该成果入选Science杂志2012年度十大科学突破。

JUNO将探索哪些问题？

至此，三种不同类型的中微子振荡参数找齐，完成了中微子振荡整体图像的“拼图”。这为下一步研究中微子质量顺序、CP破坏（可能解释物质-反物质的不对称性）奠定了必要条件（将接力棒传给JUNO实验）。

同时，正是因为中微子振荡行为，我们无法确定每一种中微子的确切质量，只能借助测量它们质量平方的差！这也是JUNO的主要任务之一。我们目前仅大致知道中微子的质量上限：质子比电子质量大近2000倍，而中微子的质量不到单个电子的1/500000。

其实关于中微子的质量，还有许多值得一说的内容。比如说，2011年和2013年，都有实验测得中微子的质量是一个虚数（数学里的虚数），这就意味着中微子的速度会超越光速，也就是传说中的快子。但前者是一个尴尬的乌龙（事后团队声称电缆线松了导致数据异常），后者经过若干年的缜密分析，也找到了其错误所在。

2024年，又有人提出中微子的质量可以是负数的理论。前文说过，我们只能测量中微子质量的平方差，所以理论上有负数的可能性……

此外，还有很多有趣的问题，如神秘的惰性中微子是否存在，如果存在，它是暗物质的主体吗？中微子是否是它们自己的反粒子（即马约拉纳粒子）？毕竟中微子是唯一可能具备这种性质的基本费米子。

关于神秘的中微子，希望江门地下中微子实验能给我们更多的回答，窥见新物理的曙光。

参考文献

[1]曹俊，从大亚湾实验到江门实验.现代物理知识杂志，2023，35(S1):186-191

[2]Capozzi，F.，Giarè，W.，Lisi，E.，Marrone，A.，Melchiorri，A.&Palazzo，A.Neutrino masses and mixing:Entering the era of subpercent precision.arXiv 2503.07752(2025).https://arxiv.org/abs/2503.07752

[3]Isobel Asher Hamilton，A golden chamber buried under a mountain in vapancontains water so pure it can dissolve metal.and it'shelping scientists detect dying stars，Business Insider.https://www.businessinsider.com/super-kamiokande-neutrino-detector-is-unbelievably-beautiful-2018-6