又一大国重器“正式上线”！江门中微子实验，究竟在做什么？

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。“揭开大科学装置的面纱”系列文章将带你走近它们，解读它们背后的科学与故事。

8月26日，广东江门附近700米深处的地下传来好消息：经过十多年的精心准备和建设，中国江门中微子实验（JUNO）终于成功完成了核心探测器2万吨的液体闪烁体灌注，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，就让我们走近大科学装置的第一站——江门中微子实验，来一探究竟吧！

星空下的JUNO 来源：中科院高能物理研究所

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，也可以笔直地穿过地球、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，也不会对我们产生危害。

中微子可以轻易地穿过地球，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”。

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。

江门中微子实验选址与两座核电站在地图上的位置 来源：JUNO官网

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，是一个直径为35.4米的有机玻璃巨大“水晶球”，安装在用于屏蔽干扰信号的水池中央。在这个球内部，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。

中心探测器内部的有机玻璃球（左下）及光电倍增管（右上） 来源：中科院高能物理研究所

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，功夫不负有心人，科学家们的努力终于取得了收获。JUNO在试运行期间首批获取的数据显示，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。

JUNO探测到的一个反应堆中微子事例 来源：中科院高能物理研究所

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。在表面上看，就好像是中微子在不停地“切换身份”一样。

那么，这三个质量分别是多少？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它中微子。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它问题。

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！（张一凡）

审核：中国科学院高能物理研究所 研究员 钱森

本文来源科普新媒体平台“蝌蚪五线谱”，已经授权发布