历时9年多，位于中国广东的江门中微子实验探测器主体于2024年11月20日全部建成，计划明年正式运行。消息一出，科技界对之高度关注。那么，让科学家“兴师动众”的中微子是什么神秘物质？为何要将中微子实验探测器的主体建在地下700米？通过它又可以开展哪些科学研究呢？

2023年6月7日，技术人员在江门中微子实验站内作业。

探测中微子的光电倍增管

中微子假说源于一桩“失窃案”

中微子其实是一种被预言出来的基本粒子，就像海王星那样，人们意识到“天王星轨道外应该还有个大家伙”，于是算出它的位置，再去寻找它。当初预言海王星，是因为天王星“迟到早退”，那提出宇宙中存在中微子的根据又是什么呢？这一设想的开头，是一桩“能量失窃案”。

放射性元素有种现象叫作“β衰变”，即原子核里的中子会衰变为质子，并放出一个电子（也称β粒子）。因发现中子而获得1935年诺贝尔物理学奖的英国物理学家查德威克早在1914年就通过实验证实，β粒子具有连续的能谱，也就是说，它的能量不是个确定值，而是从零到某一上限中的各种可能性都有，而它的两个“兄弟”α粒子和γ射线总是乖乖地带出确定的能量。这个现象令科学家大惑不解，既然β粒子不是次次都一样，那么少掉的那些能量跑哪儿去了？

这桩“能量失窃案”难倒了不少“侦探”，丹麦物理学家玻尔提议，能量守恒定律可能只是建立在极大基数上的统计规律，而不适用于每个单独的微观事件，准备修正这条基本物理法则。

然而，奥地利物理学家泡利主张，既然β粒子的能量有上限，事情就还没严重到修改物理法则的地步，兴许只是有个善于隐身的“能量窃贼”。他在1930年底写给苏黎世联邦理工学院的信中提出，除了电子之外，β衰变还产生了一个当时科技手段探测不到的极小中性粒子，带着能量偷偷溜走了。

泡利在信中给这个假想粒子起名为“中子”（Neutron）。后来，查德威克在1932年初发现了现在所知的中子，并正式启用“中子”这个名字。1932年7月，美籍意大利物理学家费米在一次会议上，把泡利预言的假想粒子称为“中微子”（Neutrino）。

从此，中微子走进物理界，围绕它建立了一系列基础理论。万事俱备，只待实践验证。

“捕捉成功”预言变现实

既然提出了中微子，科学家就想尽一切办法去寻找它。1956年，美国物理学家莱因斯和柯温在距离美国萨瓦纳河反应堆堆芯11米远的地下12米深处，用400升氯化镉水溶液和4200升液体闪烁体搭建出当时世界最大的中微子探测器，明确检测到来自反应堆的中微子，印证了此前提出的理论。这个“能量窃贼”被抓获时，距离泡利的预言已经过去26年，令人欣慰的是，当时泡利仍然在世，见证了预言变为现实。

我们身边的中微子其实非常多，在地球上指甲盖大小的面积，每秒就有600亿个太阳中微子浩浩荡荡地通过。中微子质量极小，并且不带电荷，在宇宙的4种基本作用力（指引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力，控制着宇宙中各种物理现象和自然规律）中，它只参与引力作用和弱相互作用。由于质量极小的中微子表现不出什么引力，而弱相互作用的作用距离又极短，因此中微子在穿过一般物质时基本不会受到阻碍，在它们面前，整个地球乃至太阳都是透明的。打个比方，穿过地球这么厚的物质，100亿个中微子可能只会被截住一个。

中微子的“反侦察”手段如此高明，科学家怎样抓住它呢？前面提到，中微子会参与弱相互作用，尽管发生的概率非常低，但只要基数足够大，就能用“人海战术”捕捉到它。

中微子探测设备通常是个大容器，里面装满透明度极高的荧光液体，周边围了一圈光电倍增管。在穿越探测设备的无数中微子里，假如有个幸运儿撞进了荧光液体中的某个原子核，并和质子发生反应，那么这个质子就会变成中子，并释放一个正电子。正电子随即和附近的电子湮灭，化为一对γ光子，然后激发荧光液体发出一次可见光的闪烁，这种闪烁被设置在周围的光电倍增管监测到，科学家就能“看到”中微子了。这种荧光液体叫作“液体闪烁体”，简称“液闪”。

当然，能造成闪烁的因素有很多，例如宇宙线。为了避免“抓错人”，科学家还会在液闪里掺杂一些擅长俘获中子的元素，如镉或钆。中微子与质子反应所产生的中子，会在正电子湮灭并闪烁几十微秒后，被掺杂元素的原子核俘获，新原子核随即衰变会激发第二次闪烁。这种绑定的“双闪信号”特征鲜明，能够帮助科学家有效排除干扰，提高中微子拦截事件的置信度。

中微子变身形成“振荡”

中微子被发现后，科学家对其展开了种种研究，很快就牵扯出第二桩“失窃案”——中微子失踪了。

20世纪60年代，美国物理学家戴维斯在其领导的霍姆斯特克实验中，发现太阳中微子的流量只有标准太阳模型预测值的三分之一。1988年，日本物理学家梶田隆章和他的两位导师在神冈实验中发现，因宇宙线轰击大气顶层而产生的中微子也比预期的少。这两个发现被科学界称为“太阳中微子问题”和“大气中微子反常”。

关于中微子丢失的理论解释，其实很早就有人提出过。在最初的标准模型中，中微子被假定静质量为零。然而，如果中微子的静质量不为零，科学家预言可能会出现“中微子振荡”现象，也就是说，中微子会一边飞行，一边变身为其他类型的中微子，转变概率与它的能量和飞行距离有关。有意思的是，变身后的中微子再飞一段还能变回来。所以，如果探测器检测不出变身的中微子，就会让人感觉数量低于预期。

目前人类已知宇宙中存在的中微子有3种，它们与电子、缪子（μ子，加重版的电子）、陶子（τ子，超重版的电子）一道产生，所以分别被称为电子中微子、缪中微子和陶中微子，又称为中微子的3种“味”。新鲜出炉的太阳中微子都是“电子味”的，如果能检测到它变成的其他“味”，是不是就能找到丢失的中微子了呢？

由梶田隆章主持的超级神冈实验从1996年开始运作。该实验使用的中微子探测器具备辨识中微子运动方向和“味”的能力。实验结果表明，来自探测器下方的缪中微子明显少于上方的。这个差异该如何解读呢？上方的缪中微子由宇宙线轰击头顶的大气层所产生，而下方的缪中微子源于地球另一侧的大气层，再穿越整个地球抵达探测器。虽然地球对中微子来说近乎透明，但地球的直径不可忽略，当来自下方的缪中微子穿越整个地球后，缪中微子自身的“味”发生了变化。因此，超级神冈实验找到了大气中微子振荡的确凿证据。

在后来的SNO实验中，“太阳中微子问题”也得到了解决。这次实验利用重水作为拦截物质，能够探测中微子的所有3种“味”。实验结果显示，3种中微子的总量与太阳标准模型的预测相符。看来电子中微子在从太阳到地球的旅途中，确实变成了其他“味”，从而导致了“中微子失窃案”。

话说回来，究竟为什么会出现中微子振荡呢？理论认为，从弱相互作用过程中产生的中微子，不是纯粹的“它自己”，而是3个波包的叠加，每个波包对应一种质量本征态。当中微子飞行时，这些质量互不相等的波包会发生相干，使得最初的中微子类型逐渐消失又重新产生。

上面这段可能比较晦涩，不过没关系，我们只需要知道：科学家把这3种质量本征态分别称为1态、2态、3态，它们的混合可以从数学上用3个混合角与3个复相位来描述，总共6个参数。目前，科学家对中微子质量起源的机制还不够了解，只能把这些参数当成独立变量，从实验中测量它们。

中微子研究有望发现新物理

科学家在太阳中微子振荡实验中，测定了1态和2态的混合参数，又通过大气中微子实验确定了2态和3态的混合参数。2012年3月，我国的大亚湾中微子实验从7个国家的8个小组中脱颖而出，率先给出了1态、3态之间的混合参数。

大亚湾实验站由8个中微子探测器组成，4个探测器分别部署在距离大亚湾核电站和岭澳核电站500米的位置，另外4个探测器集中设置在距离这两座核电站1.6公里的地方，每个探测器内含20吨的掺钆液闪。这个实验站选址非常理想，紧邻世界上最大的核反应堆之一，有充足的中微子源，并且靠近高山，可以有效屏蔽宇宙线的干扰。在研究人员坚持不懈的努力下，大亚湾实验站在世界上率先获得高精度、高置信度的实验数据，是预料中的事。

继大亚湾中微子实验成功后，我国迅速启动了下一代中微子研究项目——江门中微子实验站。江门中微子实验站的探测器是目前全世界最大的液闪中微子探测器。它深埋在地下700米，上方还有270米高的花岗岩山体充当屏蔽层，能很好地减少宇宙线的干扰。探测器的核心设施是一个直径35.4米的有机玻璃球，内部装有2万吨直链烷基苯液体闪烁体，并被45000根光电倍增管包围着。这个主探测器由直径41.1米的不锈钢网壳支撑，完全浸没在一个44米深的水池中，水池承担着屏蔽宇宙线与测量宇宙线径迹以排除干扰的功能。

已经有了大亚湾实验站，为何还要建设江门实验站，且做得如此庞大？这一切都是由科学目标决定的。大亚湾实验站要测量1态和3态之间的混合参数，这种振荡在距离发射源两公里附近比较显著。而江门实验站的首要科学目标是对3种中微子做质量测序，质量差异导致的能级分化在距粒子源50-55公里处才比较显著，因此，江门实验站选址在距离阳江与台山两座核电站各53公里的位置。中微子流量与距离的平方成反比，当距离增加30倍，中微子流量就衰减到九千分之一。所以，江门实验站的探测器规模必须远远大于距离粒子源仅1.6公里的大亚湾探测器。

“超大规模”对实验的灵敏度和准确性带来了挑战，假如在探测器正中心出现了闪光，它需要保证能被17米球半径外的光电倍增管看到。江门实验站所用的液闪非常干净，具有很高的光输出、极好的透明度和极低的放射性本底，光传输衰减长度大于20米，这是目前世界最高水平。中国科学院高能物理研究所的科学家发明了全新构型和电子放大方式的新型光电倍增管，收集效率等关键技术指标国际领先，并拥有完全自主知识产权。此外，为了提高实验的准确性，探测器的有机玻璃球的板材生产采用了独特配方和工艺，材料中的天然放射性元素质量占比小于一万亿分之一。

“超大规模”也考验着工程技术。探测器的有机玻璃球重约600吨，是世界最大的单体有机玻璃球。探测器内部是2万吨液闪，外部是3.5万吨水，球体内外压力不同，对球体的拼接工艺要求也很高。另外，有机玻璃球置于水中，还要长期承受约3000吨的浮力，工程团队经过反复设计优化，让各个受力节点都获得了超高承载能力。

历史上，已有4次诺贝尔物理学奖颁给了中微子方面的研究，其科学价值可见一斑。然而围绕中微子，仍有众多谜团待揭晓，比如涉及其质量大小和起源、质量顺序、是否造成宇宙中物质与反物质的不对称等，这些都是重量级的物理学话题，甚至牵涉到宇宙起源模型问题。而且，中微子研究有潜力发现超出标准模型的新物理，对理解宇宙演化、恒星形成、超新星爆发机制等具有重要意义。除了研究反应堆中微子之外，江门实验站探测器还可以探索地球中微子、太阳中微子、超新星中微子和假说的惰性中微子。预计2030年，江门实验站探测器升级后将能够测量中微子的绝对质量，有望在一系列基础物理领域取得突破性的进展。

（作者为中国科普作家协会会员）

本版供图：视觉中国