《经济学人》丨中国实验室开始解决粒子物理学的一个巨大谜团

A Chinese lab starts to tackle a giant mystery in particle physics

江门中微子探测器（JUNO）将搜寻宇宙中最难以捉摸的粒子

图片来源：盖蒂图片社

2025年8月26日 | 江门报道

在中国南部广东省郁郁葱葱的大狮山山脚下，经过预先批准的访客可搭乘一列独特的黄色列车。不过，这列列车并非穿梭于宁静的山水之间，而是沿着一条陡坡轨道向下行驶，最终驶入山坡下的黑暗之中。乘坐列车十分钟，再步行片刻后，访客便能抵达一个从山体中开凿而出的巨大洞穴。在地下500多米深处，矗立着一个由钢材和有机玻璃制成、高达12层楼的球体——这就是江门地下中微子观测站（JUNO）。

本周，这座耗时十年建成的巨型科学设施将正式开启对宇宙中最难以捉摸粒子的搜寻工作。科研人员希望通过这一行动，破解基础物理学领域一个困扰了学界数十年的谜题。

中微子——它们有三种“味道”，分别是电子型、μ子型和τ子型——是一类基本粒子，是恒星和核电站内部核反应所产生的碎片。它们极其轻，没有电荷，几乎不与其他物质发生相互作用，这意味着它们大多能在宇宙中畅通无阻、隐形穿行。（在你读完这句话的短短几秒钟内，就有数百万亿个中微子穿过了你的身体。）

中微子的存在也给粒子物理学的“标准模型”带来了难题。标准模型描述了已知的粒子和作用力，是人类历史上最成功的科学理论之一，但其预测中微子应该是完全没有质量的。然而，这与物理学家的实际观测结果相悖。

一列黄色小火车载着访客穿过1200米长的隧道，前往容纳江门中微子探测器的地下建筑群。

工作人员站在探测器球体下方。图片来源：路透社；盖蒂图片社

大约30年前，在日本超级神冈中微子观测站工作的科学家发现了一个异常现象：从上方抵达探测器的μ子中微子（由高能宇宙射线与地球高层大气中的原子碰撞产生）数量与理论预测相符，但从下方传来的中微子（由地球另一侧大气中的相同过程产生，随后穿过地核而来）数量却低于预期。不久之后，加拿大萨德伯里中微子观测站也报告了一个与太阳中微子相关的类似异常：在其探测到的中微子混合体中，电子中微子的数量过少。这些观测结果让科学家得出结论：中微子在穿越太空时，一定在从一种“味”转变为另一种“味”。他们同时知道，这种“振荡”现象只有在中微子具有质量的前提下才可能发生。

“中微子物理学是超越标准模型的物理学，”加州大学欧文分校的物理学家胡安·佩德罗·奥乔亚-里库克斯表示，他是参与江门中微子观测站（JUNO）国际合作团队的一员。“更深入地了解中微子质量，是完善标准模型的关键。”因此，江门中微子观测站的目标之一，就是确定三种中微子中哪种质量最大、哪种质量最小。该观测站的首席科学家、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳估计，这项任务大约需要六年时间。

如天使轻吟

站在江门中微子观测站的地下实验大厅里，感觉就像置身于一座大教堂——人们的声音在巨大的空间里回荡，这里的温度也远低于地面上的森林与田野。观测站的核心是一个容器，里面装有约2万吨富含氢元素的液体混合物，这种液体被称为“液体闪烁体”。绝大多数进入容器的中微子都会悄无声息地穿过去，但有少数中微子会与液体中的质子发生碰撞，从而产生蓝色闪光。容器内壁装有约4万个光电倍增管，随时准备探测这些罕见的闪光。

江门中微子观测站的任务是统计来自两座核电站的中微子数量，这两座核电站距离观测站均为53公里。观测站上方有大约700米厚的花岗岩山体，能有效屏蔽其他来源的中微子（例如由宇宙射线产生的中微子），避免其干扰主要观测数据。科学家清楚核电站会产生多少特定类型的中微子，因此到达江门中微子观测站的中微子数量，就代表了在传播过程中未发生“味”转变的中微子比例——这一数据将有助于测算中微子的振荡速率。

光电倍增管（图中金色半球体）可探测光线并将其转化为电信号，它们将用于捕捉中微子信号。图片来源：中国科学院高能物理研究所（IHEP）

而中微子的振荡速率又与其质量相关。与其他基本粒子不同，中微子没有固定的质量，相反，每种“味”的中微子都是三种不同质量本征态（分别称为ν₁、ν₂、ν₃）的混合体。当中微子在太空中传播时，这种混合体的具体构成会发生变化，促使中微子从一种“味”转变为另一种“味”。

物理学家理想情况下希望测量出这三种质量本征态的精确数值，但事实证明，这种直接观测极具难度。不过，其他中微子实验室的研究结果为这些质量本征态之间的关系提供了线索。目前的证据更倾向于“正常质量顺序”，即ν₁质量轻于ν₂，而ν₁和ν₂的质量都远轻于ν₃。另一种可能是“倒置质量顺序”，即ν₃质量最轻，ν₁和ν₂则处于质量较重的一端。

江门中微子观测站采集的数据会因真实的质量顺序不同而呈现细微差异，这使得科学家能够确定“正常顺序”和“倒置顺序”中哪一种更有可能成立。当观测站完全投入运行后，预计每天能探测到约50个中微子信号。要得出具有统计显著性的结果，大约需要10万个探测数据——这也是王贻芳博士有信心在六年内得出答案的原因。

江门中微子观测站的主探测器外部景象（摄于其外围水箱注水前）。图片来源：恩里科·萨凯蒂（Enrico Sacchetti）

理论物理学家们恐怕要焦急等待了。奥乔亚-里库克斯博士表示，自从中微子振荡现象通过实验得到证实以来，他和同行们就一直在忙着提出可能的标准模型扩展理论，以解释中微子为何具有质量。俄克拉荷马州立大学的理论物理学家卡拉迪·巴布（Kaladi Babu）认为，“倒置质量顺序”是更令人兴奋的可能性，因为这将使科学家能够验证中微子是否就是其自身的反粒子。

标准模型指出，所有粒子都有对应的反物质粒子，反物质粒子质量与正粒子相同，但（除其他特性外）电荷相反。有些粒子（如光子）本身就是自己的反粒子。一系列旨在扩展标准模型的理论认为，中微子也可能属于这种情况。这些理论基于“跷跷板机制”：如果中微子与其他一些尚未被探测到的大质量中微子相关联，那么中微子就可能拥有极小的质量。博洛尼亚大学的理论物理学家西尔维娅·帕斯科利（Silvia Pascoli）等学者更倾向于这种简洁的机制。这些大质量中微子甚至可能是暗物质的候选者——暗物质是另一种神秘的物理现象，目前只能通过其对周围物质的作用来间接推断其存在。

要验证中微子与反中微子是否真的相同，物理学家需要研究钙、锗等元素的放射性同位素。这些元素在发生放射性衰变时，有时会释放出两个电子和两个反中微子。如果中微子确实是自身的反粒子，那么科学家应当能非常罕见地观测到一种特殊的衰变过程——在这种过程中，完全不会释放反中微子。

江门中微子观测站主址，距离开平市约一小时车程。图片来源：盖蒂图片社

如果这一假说成立，科学家需要等待多久才能观测到这样的现象，取决于中微子的质量本征态。如果质量顺序是倒置的，那么这种现象的发生频率足以让一些高灵敏度实验（如意大利的LEGEND实验、西班牙的NEXT实验或它们的后续实验）在未来10到15年内探测到。“这意味着新的物理学突破已近在眼前，”帕斯科利博士说。但如果质量顺序是正常的，这种衰变过程的发生概率可能极低，以至于现有技术可实现的探测器都无法观测到。

来自天际

帮助解决这类学术争议将是江门中微子观测站最重要的科学遗产，但该观测站还将使物理学家最终能够将中微子用作“探测工具”。例如，江门中微子观测站将搜寻来自地球内部深处的中微子，这将有助于揭示地幔和地壳中放射性元素的分布情况。

它还将搜寻来自被称为“超新星”的恒星爆炸过程中产生的中微子。由于中微子能以光无法实现的方式穿透物质，它们可以在超新星实际爆炸的光芒显现之前就离开恒星并抵达地球。探测到这些中微子，将为天文学家争取时间调整望远镜的观测角度，从而得以实时观测这场壮丽的宇宙爆炸。

只有当中微子被用于此类用途——作为探索当前人类未知领域的工具时——真正的“中微子时代”才会正式开启。

探测器内部光电倍增管的特写。 图片：Enrico Sacchetti

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