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2025年8月26日，广东江门开平市的打石山深处，一个堪称工程奇迹的科学装置正式开始运行。在地下700米的花岗岩层中，江门中微子实验（JUNO）的核心——直径35.4米的巨型有机玻璃球——正静静地等待着捕捉来自宇宙的“幽灵”中微子。
江门中微子实验的核心装置：巨型有机玻璃球
（图片来源：科普中国前沿科技项目《国产“黄金瞳”：捕捉中微子的光电倍增管》视频）
这标志着国际上首个超大规模、超高精度的中微子专用大科学装置正式进入取数阶段，人类开启了探索宇宙奥秘的新篇章。
江门中微子实验由中国科学院高能物理研究所牵头，中国科学院院士王贻芳担任首席科学家，汇集了来自17个国家和地区的约700名科研人员。这个历时十余年建设的重大科学设施，不仅要解答中微子质量排序这一粒子物理学领域未来十年内的重大问题，还将开展超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等多项前沿研究。
“幽灵粒子”中微子——无处不在却又难以察觉
中微子是构成物质世界的十二种基本粒子之一，与电子、夸克等粒子一起组成了粒子物理学的“标准模型”家族。但与其他基本粒子相比，中微子显得格外特殊——它不带电荷，质量极其微小（不到电子质量的百万分之一），而且几乎不与其他物质发生相互作用。
为什么中微子如此“超然”？原因在于它只通过弱相互作用力与其他粒子发生作用。自然界有四种基本作用力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。中微子不带电，所以不受电磁力影响；它不是夸克，所以不参与强相互作用；它质量极小，引力作用几乎可以忽略。只剩下弱相互作用——这是一种作用范围极短（只有原子核大小的千分之一）、强度极弱的力。
这种微弱的相互作用意味着什么？绝大多数中微子可以毫无阻碍地穿过整个地球，就像光线穿过玻璃一样。科学家计算过，要想有50%的概率阻挡住一个中微子，需要大约一光年厚的铅板——这相当于9.5万亿公里的距离。对于某个给定的中微子来说，与地球物质发生相互作用的概率微乎其微，可能只有百亿分之一。
不过，正是因为中微子的数量极其庞大，我们才有可能探测到它们。从138亿年前的宇宙大爆炸开始，它们就充斥着整个宇宙空间。今天，宇宙中每立方厘米的空间里大约有300个来自大爆炸的“遗留”中微子。
宇宙大爆炸假想图
（图片来源：freepik）
除此之外，恒星内部的核聚变反应、超新星爆发、地球内部的放射性衰变、核电站的反应堆，甚至我们体内钾-40的衰变，都在不断产生中微子。举例来说，每秒钟，来自太阳的650万亿个中微子穿过每平方米的地球表面；从各个方向飞来的中微子，每秒有数万亿个穿过我们的身体，但我们对此毫无知觉。
正因为中微子如此“低调”，人类直到1956年才首次在实验中探测到它的存在，距离理论预言已经过去了26年。美国物理学家弗雷德里克·莱因斯和克莱德·考恩在南卡罗来纳州萨凡纳河核反应堆旁，用装有氯化镉溶液的探测器，经过几个月的等待，终于捕捉到了反应堆产生的反电子中微子。这个发现让莱因斯在1995年获得了诺贝尔物理学奖（考恩已于1974年去世）。
如今我们知道，中微子家族有三个成员：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子，分别与电子、μ子和τ子这三种带电轻子相对应。
构成物质世界12种最基本的粒子，其中三种为中微子
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
更神奇的是，这三种中微子在飞行过程中会相互转化——这就是2015年诺贝尔物理学奖表彰的“中微子振荡”现象。
中微子的“变身术”与质量之谜
想象一下，你手中有一个神奇的变色球，它在飞行过程中会不断改变颜色——时而是红色，时而变成蓝色，有时又变成绿色。中微子就像这样的变色球，只不过它变化的不是颜色，而是“味道”。
中微子有三种“味”——电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。这里的“味”并不是指真正的味道，我们可以简单将其理解为物理学家给不同类型中微子起的名字。神奇的是，一个电子中微子在飞行过程中可能突然“变身”成μ子中微子，这种变化被称为中微子振荡，是量子力学世界特有的奇妙现象。
中微子振荡示意图，三种中微子会相互转化
（图片来源：作者自制）
更复杂的是，中微子实际上具有双重身份系统。除了三种“味”，中微子还有三种“质量态”，科学家将它们编号为m1、m2和m3。这就像一个人既有职业身份（医生、教师、工程师），又有年龄排序（老大、老二、老三），两套身份系统同时存在。
每个中微子都是这三种质量态的量子叠加——换句话说，一个电子中微子并不对应某个特定的质量，而是同时包含了m1、m2、m3三种质量态的“混合体”。这种奇特的量子特性正是中微子能够发生振荡的根本原因。当中微子在空间中传播时，不同质量态以略微不同的速度演化，导致它们的量子相位发生变化，从而使中微子的“味”发生转变。
现在科学家面临的核心问题是：这三个质量态的大小关系是什么？我们知道m1和m2的质量非常接近（质量平方差约0.000075电子伏特，m2稍重），但m3与它们的差距要大得多（质量平方差约0.0025电子伏特，是前者的30多倍）。目前的实验只能测量质量平方的差值，不能直接测量绝对质量，也无法知道差值的正负。这就像知道三栋楼之间的高度差，但不知道它们是建在山顶还是山谷——相对位置清楚，绝对位置不明。
所以眼下的关键问题是：m3是比m1、m2都重，还是比它们都轻？如果m3最重（m1 < m2 < m3），这被称为“正序”或“正常质量层级”；如果m3最轻（m3 < m1 < m2），则被称为“反序”或“倒置质量层级”。
那么问题来了，搞清楚这件事真的很重要吗？
这个看似技术性的问题，实际上颇为关键。中微子的质量顺序是理解宇宙物质起源的重要拼图，它直接影响着相关理论的计算和预测。
在宇宙大爆炸之初，理论上应该产生等量的物质和反物质，但我们今天的宇宙几乎完全由物质构成。反物质都去哪了？这个谜题可能与中微子有关。在一种叫“跷跷板机制”的理论中，中微子的质量顺序决定了早期宇宙中物质-反物质不对称的程度。不同的质量顺序会导致完全不同的宇宙演化图景。
此外，中微子虽然质量极小，但数量极多，它们的总质量对宇宙的引力场有显著贡献，影响着星系和大尺度结构的形成。正序和反序的中微子在宇宙中的行为不同，会在今天我们观测到的星系分布模式中留下不同的印记。
因此，中微子质量之谜对于理解中微子的本质、宇宙的演化，以及设计未来的实验都至关重要。江门实验正是通过精确测量不同能量的反应堆中微子在53公里距离上的振荡模式，来确定中微子的质量顺序。
中微子第三种振荡模式——来自大亚湾的“重磅”发现
中国的中微子研究始于2003年，当时，科学家们开始论证设计第一代中微子实验装置——大亚湾中微子实验。
大亚湾中微子实验
（图片来源：中国科学院）
2012年，大亚湾实验取得了震惊世界的重大成果：首次发现了中微子的第三种振荡模式，并精确测得了混合角θ13的数值。这一发现打开了理解反物质消失之谜的大门，被《科学》杂志评为当年的十大科学突破之一。那么，中微子的振荡模式应该如何理解呢？
如前所述，中微子振荡是三种不同“味”的中微子——电子中微子、μ子中微子和τ子中微子——在飞行过程中相互转化的现象。实际上这种转化有三种基本模式，每一种都由特定的混合角控制。（这里就不对混合角的物理含义进行解释了，有兴趣的读者可以自行查阅相关资料。）
第一种振荡模式的发现源于一个持续几十年的谜题。在20世纪60年代，科学家发现来自太阳的电子中微子数量只有理论预期的三分之一，这个“太阳中微子失踪案”困扰了物理学界数十年。
直到2001年，加拿大萨德伯里中微子观测站（SNO）的实验主任阿瑟·麦克唐纳才证实，那些“失踪”的电子中微子其实转化成了μ子中微子。这种主要发生在电子中微子与μ子中微子之间的转化，由约33度的混合角θ12控制。
第二种振荡模式在1998年被日本超级神冈探测器发现。宇宙线在大气层中产生的μ子中微子，在穿过地球到达探测器的过程中会部分“消失”，转化为τ子中微子。这是人类首次确凿地观测到中微子振荡现象，由约45度的混合角θ23控制。关于两种中微子振荡模式的发现也让阿瑟·麦克唐纳和梶田隆章获得了2015年诺贝尔物理学奖。
第三种振荡模式长期以来是个未知数。它涉及所有三种中微子类型的混合，由混合角θ13控制。科学家们不知道θ13是否为零——如果为零，意味着这种振荡模式不存在，许多后续研究将无从开展。2012年，中国的大亚湾实验精确测得θ13约为8.8度，证实了这种振荡模式的存在。这个发现不仅完善了中微子振荡的图景，更重要的是为后续研究打开了大门：只有θ13不为零，像江门实验这样通过振荡效应确定质量顺序的研究才成为可能。同时，非零的θ13也是研究中微子CP破坏（中微子与反中微子行为差异）的前提条件，而CP破坏可能是解释宇宙中为何物质多于反物质的关键。
正是基于大亚湾实验的这一突破性发现，江门实验才有了坚实的理论基础。从探测第三种振荡模式到确定质量顺序，中国的中微子研究正在一步步揭开宇宙最深层的奥秘。
大亚湾探测器之一
（图片来源：维基百科）
从大亚湾到江门：中国中微子研究的接力跑
如今，江门中微子实验接过了接力棒。与大亚湾实验相比，江门实验的规模和精度都有了质的飞跃。大亚湾实验的探测器只有几十吨，而江门实验的核心探测装置达到了2万吨，是前者的数百倍。更重要的是，江门实验的能量分辨率达到了前所未有的3%，这意味着它能够更精确地“看清”中微子的特性。
图为位于水池内（尚未灌水）的中心探测器（外部图）
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
选址也体现了精巧的科学考量。江门实验位于距离阳江核电站和台山核电站各53公里的位置。这个距离是经过精心计算的——在这里，来自反应堆的中微子振荡效应最为明显，最适合研究中微子质量顺序问题。打石山270米高的花岗岩层则为实验提供了天然的宇宙射线屏蔽。
2万吨液闪：捕捉“幽灵”的“超级陷阱”
江门中微子实验的核心是一个装载2万吨液体闪烁体的有机玻璃球，直径达到35.4米。这个透明的巨球由12厘米厚的聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成，其制造精度令人惊叹——整个球面的厚度偏差不超过1毫米。在整个江门中微子实验装置上，镶嵌着约4.5万根光电倍增管，包括2万根直径51厘米的大型管和2.5万根直径7.6厘米的小型管，它们如同4万多只敏锐的“眼睛”，随时准备捕捉中微子碰撞产生的微弱闪光。
光电倍增管
（图片来源：科普中国前沿科技项目《国产“黄金瞳”：捕捉中微子的光电倍增管》视频）
液体闪烁体的主要成分是直链烷基苯，这种物质占到了总体积的99.7%。有趣的是，烷基苯也是日用洗涤剂的主要原材料，具有无毒、易生物降解、火灾风险低等优点。当中微子与闪烁体中的质子发生反应时，会产生正电子和中子。正电子很快与电子湮灭，产生两个伽马射线光子；中子则在约200微秒后被氢原子核俘获，再次产生伽马射线。这些伽马射线激发闪烁体分子，使其发出荧光，被光电倍增管探测到。
光电倍增管探测到中微子的光信号
（图片来源：科普中国前沿科技项目《国产“黄金瞳”：捕捉中微子的光电倍增管》视频）
整个探测器被浸泡在一个装有3.5万吨超纯水的巨大水池中。水不仅起到屏蔽外界放射性的作用，还安装了2000根额外的光电倍增管用于探测宇宙线μ子。这种多重屏蔽设计将背景噪声降低到了极限——如果没有这些屏蔽措施，宇宙射线和天然放射性产生的信号将比中微子信号多上亿倍。
江门中微子实验核心装置（JUNO）结构图
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
工程奇迹：45天灌注6万吨超纯水
建造如此精密的探测器，每一个环节都充满挑战。江门中微子实验总工程师马骁妍介绍，最具挑战性的工序之一是向探测器灌注液体。团队需要在45天内完成6万多吨超纯水的灌注，同时要将内外有机玻璃球的液位差控制在厘米量级，流量偏差不能超过0.5%。
这种精度要求源于对结构安全的考虑。有机玻璃球虽然坚固，但如果内外压力差过大，可能导致球体变形甚至破裂。在灌注过程中，工程师们采用了精密的流量控制系统和实时监测技术，确保每一步都在安全范围内进行。整个过程如同在进行一场精密的外科手术，容不得半点差错。
超纯水的制备同样不简单。普通自来水中含有各种矿物质和微量元素，这些杂质会产生额外的放射性背景。因此，实验用水需要经过多级净化处理，包括反渗透、离子交换、紫外线消毒等步骤，最终得到的超纯水电阻率达到18.2兆欧·厘米，几乎不含任何杂质。
王贻芳院士宣布启动灌注
（图片来源：江门中微子实验官网）
展望：30年科学征程的起点
按照设计，江门中微子实验的使用寿命可达30年。在完成中微子质量顺序测量这一首要任务后，实验还将继续开展多项前沿研究。超新星中微子的探测将帮助我们理解恒星演化的最后时刻；地球中微子的研究能够揭示地球内部的放射性元素分布和热流；太阳中微子的精确测量将检验太阳模型的正确性。
更令人期待的是，江门实验在后期可以升级改造为无中微子双贝塔衰变实验。这项研究将探索中微子的绝对质量，并检验中微子是否为马约拉纳粒子——即中微子是否是其自身的反粒子。如果得到肯定的答案，将从根本上改变我们对物质世界的认识。
科学家正在计划的这些未来实验，都需要先知道质量顺序。不同的质量顺序预言的物理过程发生率可能相差10倍以上。如果不知道质量顺序就建造探测器，就像不知道目标的大小就制造望远镜——可能完全看不到想要观测的现象。这就是为什么全球有7个国家在竞相开展类似实验，谁先确定了质量顺序，谁就掌握了打开新物理大门的钥匙。
王贻芳院士表示：“这是国际上首次运行这样一个超大规模和超高精度的中微子专用大科学装置，将使我们能够回答关于物质和宇宙本质的基本问题。”江门中微子实验不仅是中国基础科学研究实力的体现，也将带动建立一支国际领先的科研团队，推动相关技术创新，为实现科技强国战略做出重要贡献。
在广东江门的地下深处，这个巨大的“眼睛”已经睁开，开始凝视宇宙深处的奥秘。每一个被捕捉到的中微子，都可能为我们带来关于宇宙本质的新认识。这是人类探索未知世界的又一个里程碑，也是中国科学家在国际科学前沿贡献智慧的生动写照。
出品：科普中国
作者：吴刚（物理学博士）
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