地下700米的國之重器運行取數，四萬只金眼能否發現新物理？

2025年8月26日，江門中微子實驗（JUNO）成功完成2萬噸液體閃爍體灌注，并正式運行取數。該實驗有望測定有關三種中微子的重要物理參數。

本文將努力通俗解答理解該實驗裝置的幾個必要問題，包括報道中常見的“中微子振蕩”到底是什么？大亞灣中微子實驗室證實存在的“中微子的第三種振蕩模式”又是什么？中微子的質量順序是指什么？這些實驗背后的物理和數學機制都有哪些？由此，我們可以了解該實驗能對粒子物理所做的貢獻。

撰文|嘉偉

我們的宇宙是令人嘆為觀止的奇跡。根據當前宇宙學主流模型（Λ CDM模型） ，它由大約68%的神秘暗能量、27%的隱秘暗物質、4.9%的常規物質、0.1%的中微子以及0.01%的微弱 電磁 輻射（如宇宙微波背景輻射 CMB） 構成。

若是撇去至今仍牢牢守護著自己秘密的暗能量和暗物質，人類科學目前僅能解釋和描述至多占比5%的“常規物質”+中微子+弱輻射能量。我們甚至對中微子也不敢說知之甚詳。它們形如鬼魅，是名副其實的 幽靈粒子—— 事實上，時時刻刻都一直 有數十億的中微子穿過你我的身體，卻 絲毫不被察覺 。

今年8月末， 中微子實驗研究 史上的最了不起的工程之一—— 中國 江門中微子實驗（ Jiangmen underground neutrino observatory ， JUNO ） 正式運行 。 這項大科學裝置 的 獨特之處在于， 它建于 地下700米深處 ，核心是一座高達 35米的有機玻璃球體，其內部裝有2萬噸 具有 特殊 材料性質 的液體（ 即 線性烷基苯作為閃爍液基底） ；球體 周圍 分布著 43200個 不同大小規格的 光電倍增 管 ，能夠以 收集光電子的方式 探測 特殊液體中 的 微 弱 閃光。 按實驗目的的要求， 它特意建 造 在距離 可以產生中微子的 核反應堆50公里的地方 ， 已有的 核 裂變 反應堆正是實驗所需的 持續 中微子源。

圖1 江門 地下 中微子實驗探測器 所在地理 位置 。| 圖源： 中科院高能所

它是 繼 大亞灣反應堆中微子實驗后 另一超大型中微子 實驗設施 ， 有望讓 我國粒子物理學的 實驗 研究進入 國際 超一流行列。

圖 2 江門中微子設施中 安裝就位的光電倍增管 | 圖源：中科院高能所

我們怎么知道中微子存在？

我做了一件可怕的事，我假定了一種無法被探測的粒子。

——沃爾夫岡·泡利

20世紀20年代，物理學家 分析 原子核的β衰變時發現 了 一個奇怪現象： 衰變產物的能量并不守恒！

按照經典物理學，衰變后的電子和質子應該有固定能量，但實驗顯示 衰變所釋放的 電子的能量是連續分布的。也就是說，有部分能量消失了，這令當時的物理學家非常困惑。 面對這個嚴峻挑戰， 丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（ Niels Bohr ） 甚至 試圖 假定 發生 β衰變 時 能量不守恒 。

1930 年 ， 著名的 奧地利 理論 物理學家沃爾夫岡·泡利（ Wolfgang Pauli） 就此 提出 一大膽 假設： “為了拯救能量守恒定律，我不得不假設存在 一種未被發現的粒子。”

他認為 原子核 在β衰變中，除了 釋放 電子和質子 或其它原子核 ，還會產生一個質量極小 甚至為零 、不帶電 荷 、幾乎不與物質 相互 作用的粒子——他稱之為“中性粒子”。意大利物理學家恩里科·費米（ Enrico Fermi） 后來 將這種粒子 改 命名為 帶有意大利詞語風格的 “neutrino”，意為“小中性粒子” ，即中微子 。 1 933 年 費米 進一步 建立了第一個 定量 描述 β衰變的理論框架，把 泡利假設的 中微子納入其中。 順 便 提一句，吳健雄 后來 通過實驗證實了費米β衰變理論的正確性。

此后就是物理學家和中微子斗智斗勇，且延續至今的探索之旅。首先要解決的問題就是，中微子真的存在嗎？

1942年， 中國核物理學家、“兩彈一星”功勛之一的王淦昌 先生 在 抗日戰爭時期 西遷到貴州遵義的浙江大學 時， 首次提出使用 K 層軌道電子俘獲的 β 衰變來探測中微子 的存在 。 1956年 ， 兩位 美國 實驗 物理學家克萊德· 寇 恩（ Clyde Cowan）和弗 瑞 德里克·萊因斯（Frederick Reines）設計了一個巧妙 的 反 β 衰變實驗： 利用核 裂變 反應堆產生大量反中微子。

圖3 弗 瑞 德里克·萊因斯（左）與 克 萊德 · 寇 恩 | 圖源：SRS at 60——The Discovery of Neutrinos

他們 倆 在一個裝滿水的探測器中尋找反中微子與質子碰撞產生的跡象。反應產物是一個中子和一個正電子。通過探測這些產物，他們首次“探測”到了中微子 ，并 迅速 發電報把 確切 探測到中微子的好消息 及時 告訴泡利 。這項成果讓萊因斯 獲得了1995年諾貝爾物理學獎（ 此時 其合作者 寇 恩已去世，未能獲獎）。

實驗 找到中微子的存在證據，就完美解決了β衰變的能量（不）守恒問題。接下來物理學家希望能搞清這種神秘粒子的性質，比如說測得 中微子的質量……然 而 ，他們不得不面對一個殘酷的事實： 極難探測 ！

那么 退而求其次，起碼要確定中微子是否具有質量吧？如此基礎的問題，回答起來也 頗費周折 。

中微子振蕩到底是什么？

亞原子粒子都很古怪，中微子更是另類中的另類。它們的質量即便不是 零 ，也絕對非常之小；它們接近光速 傳播 ，還幾乎不與正常物質相互作用；對于中微子來說，宇宙中的一切就像是一層幻象，可以被輕易穿透 ；當然， 盡管不帶電荷， 它們的傳播方向也會受到宇宙時空中分布的引力透鏡 而發生偏轉 。 就 實驗 探測 而言 ，要想測量 確定 中微子的質量，難度極高。

另一方面，根據現代 粒子 物理 理論 之集大成者——粒子 物理 標準模型的理論預言，中微子的質量應該為 零 。也就是說，它和光子一樣，沒有 所謂的 靜止質量。

標準模型 理論 中的中微子 是 只有左手性（ left-handed）的粒子和 其相應的 右手性（right-handed）反粒子。 在 標準模型 理論框架下，這種單一的手性結構使得中微子無法與希格斯 粒子 場（Higgs field）進行相互作用。 然 而希格斯 粒子 場正是賦予 各種 基本粒子質量的 物理 機制。

1968年，美國物理學家 瑞 蒙德·戴維斯（ Raymond Davis Jr. ） 在美 國南達科 塔 州（S outh Dakota ）的 霍姆斯塔克（ Homestake） 實驗室 （ 一個 位于地下 的廢棄 礦井） 用氯 水來 探測 來自 太陽 的 電子中微子 ， 實際 觀測值 約為 理論 預測 值 的1/3。 在 幾十年間 ，這個問題被 稱為“太陽中微子缺失” 困惑 。 對應的，還有 所謂的 “ 大氣中微子反常”，指宇宙射線在地球大氣層散射所產生中微子的實際數量也與理論計算不符。

隨后，日本東京大學的物理學家小柴昌俊 領導 建 設 的 神岡（ Kamiokande） 探測器（ 該 項目原本的目標 是檢測 質子 是否 衰變 ），進一步確認了 來自 太陽 的 電子 中微子的存在，及 其 缺失問題，并 且于1 987 年 又 意外 且 幸運地 觀測到 距離相對近的 超新星 1987A的中微子爆發 。

2 002 年， 瑞 蒙德·戴維斯和小柴昌俊因 在 天體物理中開辟中微子探測窗口而 共 享了 當 年的 諾貝爾物理學獎 。后者更是開啟了日本的中微子探測基地—— 神岡系列，其研究成果誕生了至少兩位諾貝爾獎得主 。

那么， 那些 丟失的 太陽 電子 中微子去哪 里 了呢？ 在粒子物理中，“ 味 ”（ flavor ）是一個用來區分 基本粒子種類 的量子屬性 。它 是一種 量子數 ，用來標識粒子在弱相互作用中的身份。 我們 目前知道， 中微子有三種味，也就是 說 有三種 不同類型 的 中微子 ， 即電子中微子、μ 子 中 微子和τ 子 中微子。為了回答 太陽 電子 中微子缺失 問題，人們猜測不同來源的 各類 中微子（太陽、大氣、反應堆、加速器）都會“變味”——也就是 它們 在傳播中 改變身份。這種 現象 就是 所謂 的中微子振蕩 ，即三種中微子 在傳播過程中 相互轉換 。

根據量子力學的基本原理，如果一種粒子能夠發生振蕩 或 變換 ，那么它必然具有非零的靜止質量。換句話說，中微子振蕩 現象 超出了標準模型物理 的 適用范疇 ，這也 實實在在地 從實驗探測的角度 提供了一個 發展 超越現有 標準模型 理論的 難得 契 機 和重要 理論 切入點 。 這種類型的突破 口 恐怕 遠比 通過 假設 存在 諸多 暗物質粒子來尋找超越標準模型的新物理有意義。

各位 可能看過圖4，一般說它是 物理學上最長的方程之一—— 標準模型 理論中 的拉格朗日量 。因為它包含許多項和因子，解釋了標準模型 理論中 所有可能的相互作用和對稱性。 在現有的物理內容里，囊括了除中微子振蕩外所有的已知 實驗 現象。

圖4 標準模型 理論中 的拉格朗日量 ， 出自加州理工州立大學物理學 教授 托馬斯·古鐵 芮茲 （ Thomas Gutierrez ） 讀博時期 整理 的講義 ，基于諾貝爾獎得主 荷蘭理論物理學家 韋爾特曼（ Martinus J. G. Veltman ） 教授 的理論著作 Diagrammatica ： The Path to Feynman Diagrams 。 古鐵 芮茲 提到他在轉錄過程中可能有一個符號錯誤，鼓勵 “ 運氣好的 讀者 將其 找 出來”。 實際上，人們使用這個方程時，只會用 到 其 某種簡短 近似 的形式。| 圖源： Thomas Gutierrez & Martinus Veltman

2001年，加拿大的天體物理學家阿瑟·麥克唐納（ Arthur Bruce McDonald） 領導的團隊 利用 位于地下 2.1 公里的 薩德伯里微中子觀測站實驗室（ SNOLAB ） ， 實測推證 了 源于太陽的 電子 中微子 確實存在振蕩現象 。 也就是說，太陽 中微子 確實 具有 極小的靜止 質量。他 因此 與 梶田隆章 （ Takaaki Kajita ） 共同獲得了2015年 諾貝爾 物理學獎。 梶田隆章依靠在神岡中微子探測器同一礦井更深處建造的、規模約為前者25倍的超級神岡（Super-Kamiokande， 英文縮寫 SK）探測器，于1998年宣布找到了（大氣）中微子振蕩的第一個證據。

圖5 加拿大的 位于地下 2 .1 公里的 薩德伯里微中子觀測站實驗室。|圖源： SNOLAB （ Sudbury Neutrino Observatory Laboratory ）

切倫科夫輻射和日本神岡實驗系列

超級神岡 地下 實驗 借助 切 倫科夫輻射（ Cerenkov radiation） 現象來“捕捉”中微子 信號 。

什么是切倫科夫輻射呢？ 物體以超音速運動時，它所產生的 聲 波還來不及離開物體，因此 在 波 前 “堆積”了起來， 形成所謂的 馬赫錐， 這就是音爆 。 而 切 倫科夫輻射 可以通俗 地 理解成 物體超越 聲 速時音爆的電磁波版本：當一個帶電粒子速度超越介質中（通常是絕緣體）的光速時，就會產生“光子震波” 從而形成切倫科夫光錐 。

圖6 經典藍光，是水下核反應堆的特征。| 圖源：美國伊利諾伊州的 Argonne National Laboratory

圖6是一張非常經典的照片，是美國愛達荷國家實驗室（ Idaho National Laboratory）的先進測試 核 反應堆（Advanced Test Reactor 縮寫 ATR） 的 堆芯。 畫面中 讀者 能看到堆芯在水下發出的明亮藍光， 正 是由于高能帶電粒子（主要是 核 裂變產生的高能電子）在水中的 運動 速度超過光 波 在水中的相速度，從而產生 切 倫科夫輻射。

根據狹義相對論，具有靜質量的物體運動速度不可能超過真空中的光速 c，但光 波 在介質中的傳播速度（相速度）是小于c的，例如在水中（ 水的 折射率n≈1.33）光 波 僅以 約 0.75c的相速度傳播，故 一個 粒子 是完全 可以被加速到超過 電介質 中的光 波 相速 度 ，加速 粒子 的來源可以是核反應或者是 高能 粒子加速器 等 。

超級神岡 實驗室 建 設 在日本岐阜縣神岡町地下 1000米的廢棄礦井 中 。 該探測器 裝有 5萬噸超純水和11200個直徑50厘米的 光電倍增管 。 中微子本身幾乎不與物質作用，但 在極少數情況下， 會與水分子中的電子或原子核發生彈性散射。這種碰撞會產生高速帶電粒子（如電子 和 μ子）。 在這里 順便 一 提 ， 2 001 年， 日本 超級神岡探測器的 光電倍增管 曾發生過大規模爆炸損毀事故，致使實驗進程嚴重受挫 。

探測器 水箱內壁布滿 的 上萬個 金色光電倍增管，能探測 高速帶電粒子 在水中 產生的切倫科夫輻射，將 極其微弱的光子轉化為電信號。 通過 光到達的時間差和 空間 分布，計算 模型 可以反推出粒子的能量、方向，甚至判斷中微子的來源（ 如 太陽、大氣、超新星或 高能粒子 加速器 等， 這里忽略宇宙時空中的引力透鏡效應 ），并進一步重建出粒子軌跡和能量，從而識別出中微子事件并區分不同類型（ 即 電子型、μ子型等）。

順便 一提 ，南極冰層中的大約1立方公里的I ce C ube 實驗裝置 用機器學習的方法還從 其 累積十年的數據中分析出了7個來自宇宙時空的高能τ子中微子 ， 相關 文章2 024 年發表在PRL上（ Physical Review Letters） 。

圖7 日本超級神岡 地下 中微子探測器 實驗裝置 。丨 圖源： ICRR （Institute of Cosmic Ray Research ）， 東京大學

為了讓中微子產生的微弱 切 倫科夫 光子順利到達 光電倍增管 ，水必須極度純凈。 超純水純度遠高于我們日常能接觸的蒸餾水，幾乎只含有水分子。 嚴格來說，超純水是中性的，但它極為 “渴望”溶解物質 。 在 維護作業時，研究人員會劃著橡皮艇，漂浮在巨大水箱里，更換或修理 水箱 壁上的光電倍增管。

圖8 在一個 15 層樓高、 上萬多個 金色“燈泡” （光電倍增管） 環繞的水箱里劃船作業，場景相當 夢 幻 浪漫 。 | 圖源： ICRR ，東京大學

據說 有科學家在皮劃艇里工作時 不慎讓 頭發沾到超純水，雖然沾到超純水的頭發只有約3厘米，但幾個小時后此人經歷了人生 中最難熬的頭皮瘙癢。此外在 2000 年大檢修時，工作人員把水箱排空，結果在底部發現了一把“扳手的遺骸” ，原來是 1995年建設時有人掉落的，經過多年浸泡，金屬已經被超純水溶解得模糊不清。

如今，日本又在建造歷史上最大的水- 切 倫科夫探測器——超級神岡的 再 一 次 大規模 升級版 ，英語稱為 Hyper-Kamiokande 。東京大學已正式完成 它 的 大型地下洞窟的挖掘工作。 挖掘出的穹頂部分寬 69米、高21米，圓柱部分高達73米，是巖床中罕見的特大型空間。 相關的 關鍵 實驗 儀器 也送到 位于瑞士和法國交界處的 歐洲核子 研究組織 （CERN ）進行 精準的 標定測試。

圖9 Hyper-Kamiokande 所需的龐大空間。| 圖源： ICRR, The University of Tokyo

Hyper-Kamiokande用于探測中微子 的物理性質 ， 再進一步 尋找質子 是否有 衰變 跡 象， 以此來 嚴格 檢驗 粒子物理中 的 大統一理論（ GUT） 的 關鍵 預言 。

Hyper-Kamiokan de 實驗與我國的江門 地下 中微子實驗 存在 良性競爭關系， 雙方 都計劃測量中微子的質量順序。但我們已經先建好了，有望率先 獲得實驗 結果。

什么是中微子的質量順序？

一個殘酷的事實是，我們無法通過觀察中微子如何在三種中微子之間的振蕩 變換 來測量中微子的質量 ， 這就造成了很多困難。 特別是，我們仍然不確定 在三種中微子中 到底是 較 輕 的 中微子和一個 （相對較） 重 的 中微子，還是兩個 （相對較） 重 的 中微子和一個 較 輕 的 中微子。 從目前掌握的數據來看，第一種情況似乎更有可能發生，因此被稱為“ 正常層次結構 ”； 第二種情況被稱為 “ 倒置層次 ” 。 這就是所謂的質量順序。

江門實驗 可以幫助我們找出正確的層次結構 ， 同時有望 解決其 多個 問題。 比如說，確定龐蒂科夫 -牧-中川-坂田矩陣（Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Matrix ，PMNS ）矩陣 的參數。

PMN S 矩陣 是粒子物理學中描述中微子振蕩現象的 3×3 幺正矩陣，它刻畫了三種“味”與質量的混合關系。因為中微子會“變味”，所以每種味態中微子實際上是不同質量態中微子的疊加。而矩陣里的參數就可以量化其混合程度。

在此之前，物理學家已經確認了兩種中微子振蕩參數：

太陽中微子振蕩（θ ?? 主導）——解釋了“太陽中微子之謎”，即探測到 的太陽中微子數量比理論預測少。

大氣中微子振蕩（θ ?? 主導）——解釋了“大氣中微子之謎”，即來自不同方向的大氣中微子比例異常。

而“中微子的第三種振蕩”，也就是涉及θ ?? 混合角的振蕩模式 ，一直沒有 實驗 結果。 長期以來，很多理論甚至懷疑θ ?? 可能為零， 亦即 這種振蕩 根本 不存在。

直到 2012年3月， 現在已經光榮退役的 大亞灣 核 反應堆中微子實驗 在激烈的國際競爭中脫穎而出，率先證實存在 第三種中微子振蕩 模式 ，并精確測量了θ ?? 混合角 的數值。 振蕩幾率約為 9.2% ± 1.7%，遠高于許多 理論家 的預期。 中國中微子 實驗 研究團隊在國際高能物理舞臺上取得了里程碑式成果，該成果入選Science雜志2012年度十大科學突破。

JUNO將探索哪些問題？

至此，三種 不同類型的中微子 振蕩 參數 找齊，完成了中微子振蕩 整體圖像 的“拼圖”。 這為下一步研究中微子質量順序、 CP破壞（可能解釋物質-反物質 的 不對稱 性 ）奠定了必要條件 （將接力棒傳給 JUNO 實驗 ） 。

同時，正是因為中微子振蕩 行為 ，我們無法確定每一種中微子的確切質量， 只能 借助 測量它們質量平方的差 ！這也是 JUNO 的主要任務之一。我們目前僅大致知道中微子的質量上限：質子 比電子 質量 大近2000倍，而中微子的質量不到單個電子的1/500000 。

其實關于中微子的質量，還有許多值得一說的內容。比如說，2011年和2013年，都有實驗測得中微子的質量是一個虛數（數學里的虛數），這就意味著中微子的速度會超越光速，也就是傳說中的快子。但前者是一個尷尬的烏龍（ 事后團隊聲稱 電纜線松了導致數據異常），后者經過若干年的縝密分析，也找到了其錯誤所在。

2024年，又有人提出中微子的質量可以是負數的理論。前文說過，我們只能測量中微子質量的平方差，所以理論上有負數的可能性……

此外，還有很多有趣的問題，如神秘的惰性中微子是否存在，如果存在，它是暗物質的主體嗎？中微子是否是它們自己的反粒子（即馬約拉納粒子）？畢竟中微子是唯一可能具備這種性質的基本費米子。

關于神秘的中微子，希望江門 地下 中微子實驗能給我們更多的回答，窺見新物理的曙光。

參考文獻

[1] 曹俊，從大亞灣實驗到江門實驗.現代物理知識雜志, 2023,35(S1):186-191

[2] Capozzi, F., Giarè, W., Lisi, E., Marrone, A., Melchiorri, A. & Palazzo, A. Neutrino masses and mixing: Entering the era of subpercent precision. arXiv 2503.07752 (2025). https://arxiv.org/abs/2503.07752

[3] Isobel Asher Hamilton, A golden chamber buried under a mountain in vapancontains water so pure it can dissolve metal. and it'shelping scientists detect dying stars, Business Insider . https://www.businessinsider.com/super-kamiokande-neutrino-detector-is-unbelievably-beautiful-2018-6

本文轉載自《返樸》微信公眾號

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