给“宇宙幽灵三胞胎”称体重

罗会仟 

2024年12月16日拍摄的JUNO探测器   （From 金立旺）

2024年10月10日，位于广东江门地下700米的大科学装置——江门中微子实验（JUNO）传来好消息，安装完成了世界上最大的有机玻璃球。11月底到12月初，JUNO完成全部设备安装。 12月18日，江门中微子实验（JUNO）液体灌注启动，标志着该装置建设来到最后一个关键节点。JUNO预期在2025年8月正式运行取数，即将揭开宇宙幽灵粒子的未解之谜。

2024年12月18日JUNO启动液体灌注   （From 金立旺）

那么，什么是中微子？为什么要探测并研究中微子呢？江门中微子实验为什么要建造如此巨大的有机玻璃球？我们可以期待什么科学发现呢？

基本粒子的标准模型

说起“中微子”，大家可能更多地联想到“中子”——那是原子核内部一种不带电且质量与质子差不多的中性粒子，但两者的名字确实发生过“张冠李戴”，后来发现有天壤之别。早期人们在研究β衰变的时候，发现β射线和α、γ射线的不连续谱很不一样，β射线能谱总是连续的，而且似乎前后能量并不守恒，换句话说就是有一部分能量“丢失了”，仿佛存在一个看不见的“幽灵”一样。1930，泡利提出这个丢失的能量实际上是一种不带电的粒子，因其电中性而叫做“中子”(neutron)，因为它与其他粒子相互作用很弱且静止质量为零，所以实验上很难探测到。但是后来，查德威克发现了原子核内部具有质量且也是电中性的中子，费米于是把泡利说的零质量的“中子”改名叫做中微子(neutrino)。所以，中微子和中子并不是一回事。事实上，中微子作为β衰变的产物，它来自于核内中子的弱相互作用衰变，结果是变成一个电子、一个质子和一个中微子，可以说，中微子就是中子衰变过程的“幽灵粒子”。

β衰变过程产生中微子

如今，人们已经摸清楚了中微子家族实际上是“三胞胎”：分别是电子中微子、缪子（μ子）中微子和陶子（τ子）中微子。对应的，它们还有“表兄弟三胞胎”，也就是它们各自的反粒子。由于弱相互作用宇称不守恒，中微子和反中微子的手性不同，一群是“左撇子”，另一群是“右撇子”。

中微子家族的“三胞胎”

有了中微子家族，基本粒子的标准模型就显得十分完美。但关键问题是，在标准模型里面中微子应该没有静止质量——也就说符合泡利当初的预期。但是后来实验结果却出人意料，越来越多的证据说明中微子可能具有静止质量。所以，中微子是唯一一个让标准模型显得不完美的粒子，科学家因此特别关注它。目前，关于中微子的研究已经获得4次诺贝尔物理学奖，但是对幽灵般的中微子的理解才刚刚开始。

宇宙中充斥着中微子

要说明中微子的性质是否符合理论预期，首先需要去想办法探测它。虽然自然界的中微子很多很多，比如正在看视频的你，无论在地球哪个角落，每秒钟大约会有1000万亿个中微子穿过你的身体。但是，它不怎么与其他粒子发生作用，大约100亿个中微子中的1个会与原子核发生反应，产生速度较高的电子、缪子或陶子等带电粒子。这些带电粒子的运动会在液体中进一步出现切伦科夫辐射，也就是放出光子，正是通过探测这些微弱的光子来反推中微子的存在。中微子的探测器要足够大——尽可能增加探测的体积，足够暗——尽可能屏蔽其他光子或宇宙射线的干扰，足够透——探测介质要尽可能透明让放出的光子抵达探测器。

太阳中微子产生过程

从1930年泡利提出中微子的概念，到正式探测到核反应堆产生的中微子已经是1956年，由美国的莱因斯和柯万在核反应堆实验中观测到了β衰变产生的中微子。随后的1962年，美国的莱德曼、舒瓦茨和斯坦伯格发现了μ子衰变产生的中微子；1968年，美国的戴维斯研究了太阳中微子丢失现象；1987年，日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。也就是说，中微子可以在核反应堆、太阳核聚变、超新星爆发等剧烈核反应过程中出现。

日本超级神冈中微子探测装置

这些实验可以告诉我们一个共同的事实，中微子的静止质量真的很可能不为零！但麻烦的是，我们并不知道中微子三胞胎里哪个是哥哥，哪个是弟弟，也就是它们的“体重”顺序。这是因为，中微子在运动过程中会互相“变身”，也就是三胞胎之间会随时发生身份转换，比如电子中微子会变成缪子中微子或陶子中微子，如何变身则取决于中微子的能量和运动方向。所以，即使你观测到一个中微子，它极有可能并不是此前的那个中微子，也不是此后的那个中微子，这个时候再想认出是哥哥还是弟弟，简直不要太迷茫！

大亚湾中微子实验装置探测器

中微子的变身称之为“中微子振荡”，此前在太阳中微子和大气中微子实验中都被观测到。2012年3月8日，我国的大亚湾反应堆中微子实验确定了第三种中微子震荡模式。接下来的任务，就是需要进一步做更加精确的实验，来想办法给中微子三胞胎“称体重”，确定中微子振荡的具体参数。大亚湾实验装置在2020年12月12日正式退役，接替它的就是江门中微子实验装置，简称JUNO。JUNO从2019年7月开工建设，2024年11月基本完工，2024年12月开始灌装闪烁液体和超纯水，预计2025年正式开始中微子探测实验。

江门中微子实验布局

JUNO装置位于广东开平金鸡镇打石山地下700米。如果进入实验大厅，就发现一个巨大的球形探测器，被牢牢固定在直径43.5米、深44米的圆柱形“水桶”里。探测器由一个直径41米的不锈钢网壳，内部包裹着一个直径35.4米的有机玻璃球，有机玻璃球里面则将装上2万吨液体闪烁体以及45000只光电倍增管，这整整比大亚湾实验的20吨液闪探测器大了1000倍！这个有机玻璃球也成为了世界最大的单体有机玻璃结构，于2024年10月10日正式完工。为什么需要如此巨大的球体呢？这是因为要尽可能地“俘获”中微子让其发生反应，放出的微弱光子抵达光电倍增管之后，光信号转换成电信号并被放大1000万倍，最终被探测器接收。球形的结构就是为了更准确地给出中微子的能量和位置信息，所以这个有机玻璃球加上光电倍增管需要越圆越好。为了尽可能屏蔽岩石放射性以及甄别宇宙线引起的假中微子信号，玻璃球外的“水桶”里还将灌满35000吨超纯水。这样整个有机玻璃球就像海洋里的一颗璀璨明珠一样，静静地等候中微子的到来。

江门中微子实验运行效果图

江门中微子实验与南极中微子实验

江门中微子实验的科学目标，除了给中微子三胞胎“称体重”——也就是确定其质量顺序之外，还会给他们“量身高”——精确测量相关的中微子振荡参数，同时我们还可能期待发现新型的中微子或者类似中微子的新粒子。此外，JUNO还将用中微子给地球做“透视”，也有可能探测到来自超新星爆发等宇宙极端事件产生的中微子。同期和JUNO竞争的装置有美国深层地下中微子实验（DUNE）和日本顶级神冈探测器（Hyper-K），目前进度来看JUNO有可能是最早开始计数的。预计2030年左右，江门中微子实验会进一步升级改造为世界最大的无中微子双β衰变实验，由此可以完全测量中微子绝对质量，从而判断其反粒子是否是其自身。江门中微子实验装置计划运行30年，让我们一起期待未来还会有许多激动人心的发现！

2024年12月17日在JUNO探测器有机玻璃球顶部拍摄的光电倍增管 （From 金立旺）

【作者注】本文刊载于科普中国，此为更新后的原稿。