“超级眼睛”捕捉“幽灵粒子”测量精度提升1.5至1.8倍

2024年10月10日，江门中微子实验建设进入收官阶段，工人在安装中心探测器上的光电倍增管。 新华社发

江门中微子实验中心探测器有机玻璃球。

在江门中微子实验中心探测器有机玻璃球顶部拍摄的光电倍增管。

11月19日，位于广东的江门中微子实验(JUNO)发布首个物理成果，测出中微子振荡的2个关键参数，测量精度较此前国际最好水平提升1.5至1.8倍。这是目前最高的精度，也是惊人的速度：JUNO仅用2个月时间，就超越了国外同类实验10年至20年的成果积累。

中微子被称为“幽灵粒子”，是宇宙中最轻且最难以捕捉的粒子之一。江门中微子实验是为探测这些“幽灵粒子”而建设的大科学装置，于2025年8月26日正式运行取数。

经过JUNO国际合作组十余年的设计和建设，JUNO成为国际上首个建成的新一代超大规模、超高精度的中微子实验装置。JUNO在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，表明JUNO已准备好开展中微子物理前沿研究。该探测器性能分析文章已提交《中国物理C》，并于11月18日在预印本网站arXiv上发布。

　　实现前所未有的测量精度

在成果发布会现场，中国科学院院士、江门中微子实验项目经理和发言人王贻芳表示：“江门中微子实验能够在仅2个月的时间内完成如此高精度的测量，表明JUNO探测器的性能完全符合设计预期。其前所未有的测量精度使我们可以很快确定中微子质量顺序，检验3种中微子振荡的框架，寻找超出此框架的新物理。”

中微子是构成物质世界的基本粒子之一，其质量起源与重大宇宙学问题密切相关，被视为探索新物理规律的关键“门户”。但中微子很特别，它会像变魔术一样，会在不同类型之间转换，这被称为中微子振荡。而想要描述振荡现象，需要搞清楚6个参数。

从8月26日JUNO正式运行取数至11月2日，科研人员分析了59天中的有效数据，成功把6个参数中的2个——混合角θ12和质量平方差的精度大幅刷新，比此前实验的最好精度提高了1.5到1.8倍。

JUNO是国际上首个建成的新一代超大规模、超高精度的中微子实验装置，是人类观测中微子的“超级眼睛”。

此次测量的两个关键振荡参数，最初通过太阳中微子测定，但也可以通过反应堆中微子精确测定。此前这两种方法在质量平方差的测量结果上存在约1.5倍标准的“太阳中微子偏差”，暗示可能存在未被人类掌握的新物理规律。

本次JUNO通过反应堆中微子证实了这一偏差的存在。未来，JUNO有望通过同时测量太阳中微子和反应堆中微子，来证实或证伪该偏差，引导科学家掌握其中的奥秘。

　　将持续产生重要物理成果

江门中微子实验的核心探测器位于地下700米，是一个有效质量达2万吨的液体闪烁体探测器，坐落于一个44米深的水池中央。其主体结构为直径41.1米的不锈钢网壳，承载着包括直径35.4米的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体、4.5万只光电倍增管等在内的众多关键部件，共同构成超高灵敏度的中微子探测系统。

运行期间首批获取的数据显示，JUNO探测器的关键性能指标已全面达到或超越设计预期。

凭借超高探测灵敏度，JUNO除了聚焦中微子质量顺序这一核心目标，还将精确测量中微子振荡参数，开展对太阳、超新星、大气及地球中微子的研究，并寻找超出粒子物理标准模型的新物理规律。

值得关注的是，它的设计使用寿命为30年，可升级改造为世界最灵敏的无中微子双贝塔衰变实验，以检验中微子是否为自身的反粒子，并探测中微子的绝对质量。

中国科学院高能物理研究所所长、江门中微子实验副发言人曹俊表示，未来几十年里，江门中微子实验将持续产生重要物理成果并培养新一代物理学家。

未来几年主导中微子物理学领域

从2008年的构想萌芽，到2025年的正式运行，JUNO的建设走过了十余年的不凡征程。

项目于2013年得到中国科学院战略性先导科技专项(A类)及广东省人民政府的支持；2014年得到国际合作组多个国家的批准和经费支持；2015年启动隧道和地下实验室建设；2021年12月完成实验室建设并开始探测器安装；一年后，探测器完成建设并开始灌注超纯水与液体闪烁体；今年8月，完成液体闪烁体灌注并正式运行取数。

如今的JUNO，已准备好开展中微子物理前沿研究。

发布会上，中国科学院副院长、党组成员丁赤飚表示，这是一项汇聚了全球智慧的大型基础科学研究国际合作项目，充分展现了我国在国际合作方面开放、合作、共赢的理念。

作为由中国科学院高能物理研究所领导的重大国际合作项目，JUNO汇聚了来自17个国家和地区、75个科研机构的700多名研究人员。“作为JUNO机构委员会主席，看到这一全球努力达到这样的里程碑，我感到非常自豪。”来自法国斯特拉斯堡大学和法国国家科学研究中心的马科斯·德拉科斯(Marcos Dracos)表示，JUNO的成功反映了整个国际团队的投入和创造力。

“今天宣布的科学成果见证了JUNO合作组过去十多年努力的成功。我们共同建造了一个最先进的探测器，结合了许多尖端技术，这将在未来几年主导中微子物理学领域，提供精确度极高的结果。”JUNO副发言人、意大利米兰大学及意大利国家核物理研究院的研究员吉尔切诺·拉努奇(Gioacchino Ranucci)说。

丁赤飚希望，未来，项目团队确保JUNO高效平稳运行的同时，提升运行效能，与全球科学家紧密协作，不断产出具有重大科学意义和国际影响力的原创性科技成果。

“未来几十年里，江门中微子实验将持续产生重要物理成果并培养新一代物理学家。”中国科学院高能物理研究所所长、江门中微子实验副发言人曹俊表示。

　　释疑

　　搜寻宇宙背景信号 追溯万物的开端

作为国际上首个建成的新一代超大规模、超高精度的中微子实验装置，JUNO主要解决哪些科学问题？研究中微子对普通人有什么意义？

　　中微子有隐身特性，研究它能揭示哪些奥秘？

中微子是一种“幽灵粒子”，能轻易穿透地球和人体，却几乎不留痕迹。“中微子的这种几乎不与物质作用的‘隐身’特性，使它成为完美的宇宙信使，携带着关于宇宙诞生与演化的古老信息。”中国科学院院士、江门中微子实验项目经理和发言人王贻芳说，JUNO就是一个研究中微子的专用大科学装置。

“中微子可以分为三种：电子中微子、缪中微子和陶中微子。JUNO的核心目标，是确定这三种中微子的质量顺序，也就是搞清楚它们当中究竟哪个最重、哪个最轻。”中国科学院高能物理研究所所长曹俊说，这是当前中微子物理最根本的科学问题之一。

JUNO还将精确测量中微子振荡参数，并对太阳中微子、地球中微子、超新星中微子、大气中微子、质子衰变等进行交叉研究。“通过这些研究，JUNO将揭示天体和行星的内部奥秘，并搜寻宇宙背景信号。我们也相信，这些研究将极大推动我们对中微子的理解，并有望发现突破当前理论框架的新物理规律。”曹俊说。

追溯万物的开端，对我们普通人有什么意义？

“中微子与我们的最直接联系，可以追溯到万物的开端。它决定了我们能否存在。”王贻芳说。在宇宙大爆炸后的极早期，空间中曾遍布着微小的“密度涨落”，它们是未来所有星系、恒星乃至生命的原始“种子”。但如果中微子完全没有质量，它就会以光速飞驰，从而将这些珍贵的初始“种子”全部抹平。

王贻芳解释，正是因为有一点点微小的质量，中微子才得以减缓速度，允许宇宙早期的“密度涨落”被保留并放大，最终引力才能成功地凝聚出星系、银河系、太阳、地球以及人类。“我们研究中微子，本质上是一种对自然规律的纯粹探索。它短期内可能确实没有直接的用处，但从长远来看，其价值是无法预料的。就像电刚被发现时，人们也不知道它将来能用来做什么。”曹俊说。“这正是基础研究的意义：我们先去理解世界，而改变世界的种子，往往就埋藏在这份理解之中。”

　　探测器如何精准捕捉并探测中微子？

王贻芳介绍，江门中微子实验的探测器核心是装在巨型有机玻璃球里的2万吨液体闪烁体，这个玻璃球是目前全球最大的有机玻璃容器，让液体闪烁体的体积比国际现有最大规模增大了20倍。“这让探测器就像一只灵敏度拉满的‘大眼’，能精准捕捉并探测中微子。”

目前，中微子有大量谜团尚未解开。从日本超级神冈探测器、美国深部地下中微子实验，到加拿大萨德伯里中微子观测站，全球顶尖科研装置纷纷“亮剑”，虽技术路径不同，但目标一致——以中微子为探针，撬开人类未知的大门。

聚焦振荡参数测量，为什么要不遗余力提高精度？

我们目前测量的中微子振荡参数，是自然界的基本常数。这些参数的精确数值，对许多前沿研究来说，至关重要。

“比如，物理学中一个未解之谜：中微子是否是自身的反粒子？这个问题的答案，直接关系到我们为何能存在于这个宇宙之中。”曹俊说，对这个问题的最终判断，依赖于我们对中微子基本参数的精确了解。如果这些基本参数测不准，科学界可能就需要耗费十年甚至更长时间，投入巨大资源去设计多个新实验来反复验证。曹俊认为，如果对这些参数的测量足够精确，许多原本模糊的物理图像会变得非常清晰，我们也能够借此检验是否存在超出标准物理模型的新物理规律。

JUNO发布的首个成果，正是这一精确测量理念的生动体现。该成果显著提高了“太阳中微子振荡参数”的测量精度。该参数可以通过两种方法测量：一种是利用太阳发出的中微子，另一种是利用核反应堆产生的中微子。但这两种方法此前对中微子振荡参数之一的质量平方差的测量结果，有大约1.5倍标准偏差的不一致。“这种不一致，可能是源于实验误差，但也可能暗示存在新物理规律。我们进行高精度测量，能够以更高的准确度澄清这一差异，解决测量不一致问题。”王贻芳解释。　　

整合：黄亚岚

采写：南都记者 严亮 通讯员 中国科学院高能物理研究所

综合：新华社 南方+ 科技日报 新华社供图