中微子实验如何探测“幽灵粒子”？专访中国科学院院士王贻芳

封面新闻记者 赵雨笙

近日，位于广东的江门中微子实验正式运行两个月后，发布重大科学成果——科学家成功测定中微子振荡的两个关键参数，测量精度较此前国际最好水平提升1.5至1.8倍。

什么是中微子？为何要研究中微子？如何探测“幽灵粒子”？

嘉宾

中国科学院院士、江门中微子实验首席科学家王贻芳。受访者供图

王贻芳，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所原所长，江门中微子实验首席科学家。

王贻芳长期从事高能物理实验研究。在中微子方面，领导完成大亚湾实验方案的设计、建设与研究，并提出并领导江门中微子实验。在正负电子对撞方面，领导北京正负电子对撞机上新的北京谱仪的设计、建造及前期研究。

什么是中微子？

中微子是宇宙基本粒子之一，也是最古老的物质粒子。宇宙中每个角落都弥漫着中微子，大部分为宇宙大爆炸残留，每立方厘米大概有300个。

中微子以接近光速运动，几乎不与任何物质相互作用，穿透能力特别强，极难被探测，因此有“幽灵粒子”之称。在江门一处静谧山体深处，中国科学家历时10余年建了一个巨大的“玻璃球”，就是为了探测神秘的“幽灵粒子”。

中微子为何神秘？

虽然中微子几乎无处不在，但直到1956年才首次通过核反应堆捕捉到。从那时起，中微子便成为物理学研究的重要课题，但至今仍有许多未解之谜。从提出中微子假说，到首次发现中微子，再到证明中微子具有极其微小的质量，全世界科学家用了近70年。

中微子质量排序是目前全球争相研究的难题。此前，有关中微子的重大发现多次获得诺贝尔物理学奖。

2003年，王贻芳带领团队论证设计了我国第一代中微子实验装置——大亚湾中微子实验，并于2012年发现新的中微子振荡模式。《科学》杂志将这一发现列为当年“全球十大科学进展”。如今，江门中微子实验接过中微子研究的接力棒，开始测量中微子的质量顺序，有望揭开“幽灵粒子”的另一个神秘面纱。

江门中微子实验室项目。图据新华社

为何要捕捉中微子？

王贻芳表示，广泛存在于物质世界中的中微子，携带非常多重要的神秘信息，其中就包括反物质世界的信息。

“中国大科学装置管理体系是项目经理责任制，从人员经费到目标设定，再到技术研发、进度管理都集中在一个人身上。”王贻芳坦言，江门中微子实验是自己做过最困难的项目，因为涉及很多并不擅长应对的非科学问题。

实验装置为何深埋地下700米？

江门中微子实验是世界首个运行的超大规模、超高精度中微子专用大科学装置。王贻芳及其团队为攻克一系列难题创造了多个世界之“最”：研制出新型光电倍增管及其水下防爆系统，研发出高洁净度、高密封、高效率的液闪纯化系统，制造出直径达35.4米的有机玻璃球。

江门中微子实验装置为何要深埋地下700米？王贻芳表示，地面上有很强的宇宙射线，会干扰对中微子的探测。而山体和岩层起到过滤的作用，能将宇宙射线的强度大幅降低，让研究者得到纯净的中微子信号。

江门中微子实验装置。图据新华社

为何选址江门？

中微子实验装置为什么选址江门开平市？王贻芳指出，江门中微子实验所在位置距阳江核电站和台山核电站均为53公里，三地构成一个等腰三角形，可最大限度利用两个核电站的总功率。

为最大限度利用两个核电站的总功率的设计，源于江门中微子实验的主要工作定位——测量核电站反应堆的中微子振荡。核电站反应堆热功率越大，释放的中微子数目就越多，实验精度就越高。尤其当实验装置距核电站反应堆50至55公里时，中微子振荡出现极大值，对中微子质量顺序的测量最灵敏。

“大科学装置是很好的人才培养基地。”在王贻芳看来，江门中微子实验的目标是测量中微子质量顺序，这是中微子研究的关键问题，对理解宇宙物质起源等有重要意义。

“仅2个月的时间内完成如此高精度的测量，说明探测器性能符合设计预期。”王贻芳表示，江门中微子实验装置前所未有的测量精度可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现象。