探测幽灵粒子的地下天眼：江门中微子实验探测器

广东江门开平市的打石山，这里距离沿海的阳江核电站和台山核电站的距离都在53公里左右，正好位于这两座核电站连线的中垂线上，三地相连呈三角之势。

在其地下，有一座还不太为大众所熟知，却是真正的大国重器，2025年开始运行，以探测一种还不太被人类所了解的神秘粒子，它就是——江门中微子探测器。

这是继大亚湾中微子实验装置之后，由中国主导，自主建设制造，具有众多自主知识产权和工程技术方案的大型科学装置。

能穿透1光年厚铅墙的中微子

我们生活的世界是由各种基本粒子所构成的，除了电子，质子，中子等这些我们深入研究，熟悉的粒子外，除了我们可以探测感知到的这个世界之外，还有些粒子“神出鬼没”，极难窥见其踪影，这其中就包括号称幽灵粒子的中微子。

虽然极难探测，但是细心的物理学家还是可以从一些线索中嗅到它们存在或到访的可能证据。中微子最初是由物理学家泡利在分析原子核β衰变过程时预言的。在该过程中，中子与质子相互转化，并放出电子。但它们的能量看起来似乎并不守恒。泡利预测，在这个过程中可能有一种不带电，质量极小的中性粒子产生，正是它们分走了这部分消失的能量。中微子即意为中性不带电的微小粒子。

中微子是如此特殊，它们几乎没有质量，质量大概只有电子质量的百万分之一，引力作用小到可以忽略不计，中微子也不带电荷，几乎和所有物质都不发生作用（除了β衰变这种弱相互作用）。因此即使每时每刻都有大量的中微子穿过地球，甚至穿过我们的身体，据测算，在地球上每秒钟都有亿万个中微子穿过你的身体，人类也浑然不觉。即使在它们前面立上一堵一光年厚的铅墙，却也只能减缓少量中微子前进的步伐，大部分中微子仍将视若无物般穿墙而过，继续前行。泡利也因此认为，能检测到这些微小的中性粒子简直是一件不可能完成的任务。

如何一步步完成“不可能完成的任务”？

然而，再大的困难也吓不退人类求知探索的决心。1941年，旧中国还在全面抗战期间，国土沦陷，民生经济凋敝。就在如此艰难的环境下，西迁至贵州遵义办学的浙江大学物理学家王淦昌先生，发表了一篇《关于探测中微子的一个建议》的论文。该论文在国外期刊发表后，美国科学家阿伦依据王淦昌先生提出的K电子俘获的方法，在1942年完成了著名的“王淦昌-阿伦实验”。这一实验不仅是早期中微子探测的重大进展，也是中国人为中微子研究做出的重要贡献。

1955年，美国物理学家莱因斯和考恩第一次在实验中探测到中微子。他们的实验装置位于美国萨瓦纳河核反应堆的旁边地下12米深处。之所以在地下进行实验，是为了屏蔽宇宙射线对实验的干扰，而选择在核反应堆附近，则是利用核反应堆本身作为巨大的中微子源。实验装置是一个容量为400升的容器，大小接近一台洗衣机，内部装满了溶解了氯化镉的水溶液。容器周围包裹着闪烁体和光电倍增管，以探测实验过程中可能释放的光子。最终，莱因斯和考恩捕获到了意料之中的光子信号，证实了中微子的存在。

与核反应堆旁边的中微子相比，自然环境中的中微子信号要弱得多，探测更是难上加难。美国布鲁克海文实验室的雷戴维斯领导的团队，继续挑战这个看起来不可能完成的任务。他的实验室位于美国南达科他州的霍姆斯塔克金矿地下约1500米深处。选址于此不仅是为了屏蔽宇宙射线，也是为了避开其它人造或者天然辐射源的干扰。整个实验装置有一个小型游泳池般大小，里面装了40万升的四氯乙烯液体——一种常用于干洗的溶剂。当太阳中微子在撞击氯原子的过程中，由于弱相互作用，会产生具有放射性的氩-37粒子，通过探测氩-37粒子的数量来反推检测到的太阳中微子的数量。这个实验进行了30余年之久，虽然检测到了太阳中微子，但是检测到的中微子数量却只有理论值的三分之一左右。

当然，人类探索的脚步不可能在困难面前停止。日本由小柴昌俊领导的超级神冈中微子探测装置，位于日本岐阜县神冈矿山地下1000米深处。这一巨型装置的主体为一个装有5万吨超纯水的巨型不锈钢容器，容量相当于20个标准奥运泳池，约为北京水立方总容积的1.6倍。其探测原理是基于中微子与超纯水相互作用时产生的切伦科夫辐射来探测中微子。小柴昌俊也探测到了太阳中微子，在1987年还捕获到银河系外超新星爆发所产生的中微子。紧接着，小柴昌俊的学生梶田隆章，利用超级神冈装置探测到了中微子可以在三种状态之间相互转换，即“中微子振荡”。这一现象解释了此前戴维斯实验中太阳中微子数量只有理论值的三分之一的原因。中微子振荡的发现也证实微小的中微子也具有质量，使得人类对中微子的认识又迈出了关键的一步。

中微子是如此的神秘，人类对其了解及其有限，了解中微子的性质对于解答物质反物质不对称之谜，宇宙暗物质之谜，了解宇宙的起源等问题至关重要。了解中微子有可能帮助我们找到宇宙的密码，让我们更深刻的认识理解我们身处的世界。时至今日，在中微子研究领域，已经有八位科学家获得诺贝尔奖，今后中微子研究也仍将是物理学最热门的研究领域之一。

从大亚湾中微子实验到江门中微子实验

在新时期，以中科院高能物理研究所的王贻芳院士为代表的中国科学家，领导中国科研人员在中微子研究领域不断探索，王贻芳院士领导了大亚湾中微子实验的建设使用，在国际上率先测得了第三种的中微子振荡模式，领导中国科研人员紧追世界前沿科技。

新建成并投入使用的江门中微子实验探测器具备极高精度的探测能力，它的首要目标是测量三种中微子的质量顺序问题。重要科学问题的解决和新的实验发现，将超越目前我们对基本粒子物理模型的理解，甚至可能重构物理学的基础，使得物理学界对江门中微子实验装置充满期待。

江门中微子实验装置的挑战不仅在于选址，其建造过程也充满挑战。整个实验装置犹如一座巨大的宫殿，建在700余米的地下，深度甚至超过了上海中心大厦的高度，建造过程中要克服高温、高湿、压力和渗水等各种极端环境状况。

装置的核心是直径35.4米的有机玻璃球，其由263块面板无缝拼接而成，工艺难度极高。球体内部注入2万吨液体闪烁体作为探测介质。有机玻璃球外侧则是直径41米的不锈钢网壳提供支撑保护，网壳内侧密密麻麻均匀安置了4.5万只犹如金黄色瞳孔的光电倍增管，指向有机玻璃球心，用以捕捉到中微子和闪烁体作用后的微弱闪光，其灵敏度可以捕捉到单个光子的瞬间信号，并将其放大亿万倍，转化为电信号进行分析。最外层是一个巨大的圆柱形水池，其内部注入3.5万吨超纯水，起到屏蔽宇宙射线和本底辐射干扰的作用。

2024年11月，探测器主体建设完成，2025年8月26日，完成2万吨液体闪烁体灌注，并正式开始运行。经过17年构想，10年建设，江门中微子实验装置终于开始运行，就像在地下睁开一只巨眼，观察宇宙的瞬息变化。

中微子探测始终是高能物理研究的热点领域。然而，重要的科学研究离不开趁手的“兵器”，尤其是探测“中微子”这样的幽灵粒子，对测试装置的技术要求更高。

以往这种大科学装置通常由美国、日本等科技与经济实力领先的国家主导建造，比如美国的霍姆斯塔克装置，日本的超级神冈探测器，以及南极的冰立方中微子探测器等。这些装置建设难度大、探测精度要求极高，科研人员需要多年的不懈工作才能有所发现。

如今，我国自主建设的江门中微子探测器，从国产光电倍增管的研制，到关键部件制造的精度攻关，通过自主创新与国际合作相结合，我国在相关领域的各项技术能力也开始走向世界前列，步入中微子探测的国际第一梯队，今后将为揭示中微子奥秘、探索宇宙起源与演化，贡献出中国方案和智慧。

出品：科普中国

作者：周晓亮（北京交通大学）

监制：中国科普博览