江门 JUNO 实验：清点地球中微子的诺奖机遇

美国中微子天文学获诺奖，中国中微子地球物理学可能吗？Maybe.

图1：寻找地球中微子（资料图，中国科学院高能物理所）

2026 年 10 月 6 日，瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予了美国物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），表彰他领衔建成冰立方（IceCube）中微子天文台，并首次捕获到来自太阳系外的高能中微子。

这是中微子物理第五次获得诺贝尔奖，也可以说，是中微子天文学获奖。把这五枚奖章连起来看，一条清晰的线索浮出水面：人类对这种"幽灵粒子"的研究，正从"发现它"走向"使用它"。而与中微子天文学平行、同样站在风口上的，是一个更年轻的方向——中微子地球物理学。这个领域，中国后来居上，已经处于领跑的位置。

01 冰立方与第五次中微子诺奖

冰立方坐落在南极点的阿蒙森—斯科特站。它把约 1 立方公里的天然冰层变成了一台巨型探测器：在冰面以下 1450 到 2450 米深处，垂直布设了 86 根电缆、共 5160 个光学传感器，2010 年 12 月全部建成，是人类有史以来最大的中微子探测装置。

当一颗高能中微子偶然撞上冰中的原子核，会产生相对论性带电粒子，并在透明冰体中激发出淡淡的切伦科夫蓝光。成千上万个传感器捕捉到这些光子的先后次序，就能反推出中微子从何处来、带了多少能量。2013 年，冰立方首次确认探测到来自太阳系外的高能中微子；2017 年，它追踪到一个来自约 40 亿光年外耀变体的中微子事件，开启了"多信使天文学"的新时代。

图2：冰立方地面实验室，服务器收集冰下 1.5 公里传感器传回的数据（资料图，IceCube/NSF）

从 1988 年到 2026 年，中微子领域五获诺奖：首次探测、分辨不同"味"、捕捉太阳与超新星中微子、发现中微子振荡，再到今天的天体高能中微子。值得注意的是，每一次从实验发现到最终领奖，往往隔着二三十年的耐心等待。

图3：中微子研究的五次诺贝尔物理学奖——灰色圆点为首次实验发现，橙色星标为获奖年份

02 幽灵粒子：宇宙最隐秘的信使

中微子是一种质量极小、不带电的基本粒子，诞生于各种各样的核反应。它几乎不与任何物质打交道，在宇宙里只参与弱相互作用和引力。每秒有数万亿个中微子穿过你的身体，你却毫无知觉。

它已知有三种"味"：电子中微子、μ 中微子和 τ 中微子。更奇特的是，它们在飞行途中会神秘地互相转变——这就是中微子振荡；而振荡的存在，本身就证明中微子拥有不为零的质量。

图4：中微子几乎不受阻挡地穿越恒星内部与行星，是宇宙最隐秘的信使（示意图）

为什么科学家如此执着于它？因为光子要从恒星核心一路碰撞、再发射上百万年才能抵达表面，带走的早已不是"第一现场"的信息；而中微子一旦产生就径直逃逸，能从恒星内部、黑洞边缘这些最暴烈的现场，也能从我们脚下的地球内部、从核电站的反应堆里，把原初信息直接送到我们面前。

既然中微子无处不在，科学家靠什么把它们分门别类？答案是能量、方向与粒子类型的"组合拳"：

•          太阳中微子：MeV 量级，方向指向太阳，以电子中微子为主。

•          大气中微子：GeV 量级，来自上下两个方向的通量近似对称。

•          反应堆中微子：MeV 量级，带有反β衰变的"黄金标签"（正电子与中子的延迟符合信号）。

•          地球中微子：能量低至 1.8–3.3 MeV，信号与反应堆中微子相似，却来自脚下四面八方。

•          高能天体中微子：TeV 至 PeV 以上，能量极高，可指向特定天体源。

图5：不同来源中微子的能量尺度（对数坐标）——地球中微子落在最左侧的 MeV 低能端

03 从深地到深海：中国的立体探测网

与哈尔岑在南极"就地取材"不同，中国中微子探测走的是一条立体化路线：从海拔数千米的高原，到地下七百米、两千四百米的深地，再到南海三千米以下的深海，一张覆盖低能到高能的"立体网"正在成形。

图6：中国主要中微子探测设施按部署深度的立体布局（示意）

深地，是低能中微子的天然屏障。江门中微子实验（JUNO）藏身广东地下 700 米，核心是一颗直径 35.4 米、内装 2 万吨液体闪烁体的有机玻璃球，配有约 4.5 万只光电倍增管，是目前全球最大的液体闪烁体探测器。四川凉山的锦屏深地实验室（CJPL）则位于地下 2400 米，是宇宙线 μ 子通量最低的极深地下实验室之一。

图7：JUNO 中心探测器不锈钢主结构——地下 700 米深坑里的巨型球体（资料图）

深海，是高能中微子的天然靶材。海铃计划（TRIDENT）将在南海 3500 米以下建设中国首个深海中微子望远镜，规划探测体积约 10 立方公里，预计 2030 年前后全面建成；海星计划（HUNT）瞄准宇宙线起源之谜，已于 2025 年 1 月完成样机在 1600 米水深的精准布放。在地表，西藏羊八井早在 2007 年就研制成功中国第一台超高能中微子望远镜，青海 GRAND 项目则继续向超高能宇宙线与中微子发起冲击。

04 JUNO 的突破：59 天刷新世界纪录

2025 年 8 月 26 日，JUNO 完成 2 万吨液体闪烁体灌注并正式运行取数，物理取数效率超过 90%，标志着国际上首个运行的超大规模、超高精度中微子专用大科学装置诞生。

令人惊讶的是它的"上手速度"：巨型探测器刚就位，仅用 59 天的有效数据，JUNO 就完成了中微子振荡参数 θ₁₂ 与 Δm²₂₁ 的高精度测量，精度比过去数十年全球多项实验的综合结果还提升了 1.6 倍。其中两个质量平方差测量精度达约 1%，混合角 sin²θ₁₂ 达约 2%，均为国际最好水平。该成果于 2026 年 6 月 10 日以封面文章发表于《自然》杂志。

《自然》配发的观点文章评价说，JUNO 的首个结果分析令人信服，标志着中微子振荡精确测量时代的到来。2015 年诺奖得主麦克唐纳也评价，JUNO 已圆满达成全部设计指标。

05 聆听地球心跳：地球中微子的中国机遇

JUNO 的探测重点之一，正是本文真正的主角——地球中微子（geoneutrino）。它们来自地球内部铀-238、钍-232、钾-40 等长寿命放射性同位素的衰变，本质是电子反中微子，能量落在 1.8–3.3 MeV。

地球表面向太空散失的总热流约为 47 TW。这笔热量从何而来？可以分成两部分：一部分来自地壳与地幔中放射性元素的衰变热，另一部分则是地球形成之初留存至今的原始余热。这两部分各占多少，是认识地球内部结构与热演化历史的关键，但传统的热流测量方法无法给出定论。地球中微子探测的出现，直接测量放射性生热，从而弥补了这一关键短板。

图8：地球表面总热流约 47 TW，地球中微子可望帮助科学家看清地球内部放射性热源的分布

由于每一次放射性衰变都同时释放热量和反中微子，而中微子能从地幔深处直接穿透出来，地球中微子就成了一台"地球听诊器"：数清楚它，就能反推地球内部到底藏着多少放射性元素、释放了多少放射性热。此前，日本的 KamLAND 与意大利的 Borexino 用十多年的积累，初步给出"放射性热约占一半"的答案，但统计量始终有限。

JUNO 凭借巨大的探测器规模一举改写了这一局面：运行后仅 207 天，它积累的地球中微子样本就超过了此前全球所有实验的总和；运行第一年收集的事件数，预计将超过 KamLAND 和 Borexino 等前辈实验十多年的积累。随着数据持续积累，JUNO 有望在未来十年内，把地球中微子从一门"统计性探测"，推进为能够精确测绘地球内部放射性元素分布与热演化历史的成熟学科。

06 下一个中微子诺奖，或将属于中国

回到那张时间线：诺贝尔奖往往只奖励经过多年检验的成熟发现，而中微子领域"从发现到获奖"动辄二三十年。正在 JUNO 里一点点积累的地球中微子，其科学价值同样需要时间沉淀——但历史一再证明，中微子从不让耐心的探索者失望。

一个意味深长的细节是：2024 年，刚刚在两年后走上斯德哥尔摩领奖台的哈尔岑，曾专程到访广东，参观这座即将建成的探测器。而今天的 JUNO，已经确立了数据引领与未来精度的双重优势，为下一个十年的学科跃迁铺平了道路。

当冰立方在南极冰层下“监听”来自宇宙深处的信号时，位于中国地下700米的JUNO，正侧耳聆听我们这颗星球的心跳，有望破解地球内部热源分布这一长期困扰几代地球科学家的难题。下一枚中微子领域的诺贝尔奖章，很可能就落在中微子地球物理学这一方向上——而未来领奖的人，或许此刻正在广东江门的山洞里数中微子。一定要有耐心。

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资料来源｜中国科学院高能物理研究所（JUNO 成果发布）｜《自然》杂志 JUNO 封面文章（2026-06）｜IceCube/NSF 官方资料｜KamLAND、Borexino 地球中微子测量公开结果｜瑞典皇家科学院 2026 年诺贝尔物理学奖公告

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