歷時(shí)9年多，位于中國(guó)廣東的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器主體于2024年11月20日全部建成，計(jì)劃明年正式運(yùn)行。消息一出，科技界對(duì)之高度關(guān)注。那么，讓科學(xué)家“興師動(dòng)眾”的中微子是什么神秘物質(zhì)？為何要將中微子實(shí)驗(yàn)探測(cè)器的主體建在地下700米？通過(guò)它又可以開(kāi)展哪些科學(xué)研究呢？

中微子假說(shuō)源于一樁“失竊案”

中微子其實(shí)是一種被預(yù)言出來(lái)的基本粒子，就像海王星那樣，人們意識(shí)到“天王星軌道外應(yīng)該還有個(gè)大家伙”，于是算出它的位置，再去尋找它。當(dāng)初預(yù)言海王星，是因?yàn)樘焱跣?ldquo;遲到早退”，那提出宇宙中存在中微子的根據(jù)又是什么呢？這一設(shè)想的開(kāi)頭，是一樁“能量失竊案”。

放射性元素有種現(xiàn)象叫作“β衰變”，即原子核里的中子會(huì)衰變?yōu)橘|(zhì)子，并放出一個(gè)電子（也稱β粒子）。因發(fā)現(xiàn)中子而獲得1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的英國(guó)物理學(xué)家查德威克早在1914年就通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，β粒子具有連續(xù)的能譜，也就是說(shuō)，它的能量不是個(gè)確定值，而是從零到某一上限中的各種可能性都有，而它的兩個(gè)“兄弟”α粒子和γ射線總是乖乖地帶出確定的能量。這個(gè)現(xiàn)象令科學(xué)家大惑不解，既然β粒子不是次次都一樣，那么少掉的那些能量跑哪兒去了？

這樁“能量失竊案”難倒了不少“偵探”，丹麥物理學(xué)家玻爾提議，能量守恒定律可能只是建立在極大基數(shù)上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而不適用于每個(gè)單獨(dú)的微觀事件，準(zhǔn)備修正這條基本物理法則。

然而，奧地利物理學(xué)家泡利主張，既然β粒子的能量有上限，事情就還沒(méi)嚴(yán)重到修改物理法則的地步，興許只是有個(gè)善于隱身的“能量竊賊”。他在1930年底寫(xiě)給蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的信中提出，除了電子之外，β衰變還產(chǎn)生了一個(gè)當(dāng)時(shí)科技手段探測(cè)不到的極小中性粒子，帶著能量偷偷溜走了。

泡利在信中給這個(gè)假想粒子起名為“中子”（Neutron）。后來(lái)，查德威克在1932年初發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在所知的中子，并正式啟用“中子”這個(gè)名字。1932年7月，美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米在一次會(huì)議上，把泡利預(yù)言的假想粒子稱為“中微子”（Neutrino）。

從此，中微子走進(jìn)物理界，圍繞它建立了一系列基礎(chǔ)理論。萬(wàn)事俱備，只待實(shí)踐驗(yàn)證。

“捕捉成功”預(yù)言變現(xiàn)實(shí)

既然提出了中微子，科學(xué)家就想盡一切辦法去尋找它。1956年，美國(guó)物理學(xué)家萊因斯和柯溫在距離美國(guó)薩瓦納河反應(yīng)堆堆芯11米遠(yuǎn)的地下12米深處，用400升氯化鎘水溶液和4200升液體閃爍體搭建出當(dāng)時(shí)世界最大的中微子探測(cè)器，明確檢測(cè)到來(lái)自反應(yīng)堆的中微子，印證了此前提出的理論。這個(gè)“能量竊賊”被抓獲時(shí)，距離泡利的預(yù)言已經(jīng)過(guò)去26年，令人欣慰的是，當(dāng)時(shí)泡利仍然在世，見(jiàn)證了預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

我們身邊的中微子其實(shí)非常多，在地球上指甲蓋大小的面積，每秒就有600億個(gè)太陽(yáng)中微子浩浩蕩蕩地通過(guò)。中微子質(zhì)量極小，并且不帶電荷，在宇宙的4種基本作用力（指引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力，控制著宇宙中各種物理現(xiàn)象和自然規(guī)律）中，它只參與引力作用和弱相互作用。由于質(zhì)量極小的中微子表現(xiàn)不出什么引力，而弱相互作用的作用距離又極短，因此中微子在穿過(guò)一般物質(zhì)時(shí)基本不會(huì)受到阻礙，在它們面前，整個(gè)地球乃至太陽(yáng)都是透明的。打個(gè)比方，穿過(guò)地球這么厚的物質(zhì)，100億個(gè)中微子可能只會(huì)被截住一個(gè)。

中微子的“反偵察”手段如此高明，科學(xué)家怎樣抓住它呢？前面提到，中微子會(huì)參與弱相互作用，盡管發(fā)生的概率非常低，但只要基數(shù)足夠大，就能用“人海戰(zhàn)術(shù)”捕捉到它。

中微子探測(cè)設(shè)備通常是個(gè)大容器，里面裝滿透明度極高的熒光液體，周邊圍了一圈光電倍增管。在穿越探測(cè)設(shè)備的無(wú)數(shù)中微子里，假如有個(gè)幸運(yùn)兒撞進(jìn)了熒光液體中的某個(gè)原子核，并和質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，那么這個(gè)質(zhì)子就會(huì)變成中子，并釋放一個(gè)正電子。正電子隨即和附近的電子湮滅，化為一對(duì)γ光子，然后激發(fā)熒光液體發(fā)出一次可見(jiàn)光的閃爍，這種閃爍被設(shè)置在周圍的光電倍增管監(jiān)測(cè)到，科學(xué)家就能“看到”中微子了。這種熒光液體叫作“液體閃爍體”，簡(jiǎn)稱“液閃”。

當(dāng)然，能造成閃爍的因素有很多，例如宇宙線。為了避免“抓錯(cuò)人”，科學(xué)家還會(huì)在液閃里摻雜一些擅長(zhǎng)俘獲中子的元素，如鎘或釓。中微子與質(zhì)子反應(yīng)所產(chǎn)生的中子，會(huì)在正電子湮滅并閃爍幾十微秒后，被摻雜元素的原子核俘獲，新原子核隨即衰變會(huì)激發(fā)第二次閃爍。這種綁定的“雙閃信號(hào)”特征鮮明，能夠幫助科學(xué)家有效排除干擾，提高中微子攔截事件的置信度。

中微子變身形成“振蕩”

中微子被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家對(duì)其展開(kāi)了種種研究，很快就牽扯出第二樁“失竊案”——中微子失蹤了。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家戴維斯在其領(lǐng)導(dǎo)的霍姆斯特克實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子的流量只有標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型預(yù)測(cè)值的三分之一。1988年，日本物理學(xué)家梶田隆章和他的兩位導(dǎo)師在神岡實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，因宇宙線轟擊大氣頂層而產(chǎn)生的中微子也比預(yù)期的少。這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)被科學(xué)界稱為“太陽(yáng)中微子問(wèn)題”和“大氣中微子反常”。

關(guān)于中微子丟失的理論解釋，其實(shí)很早就有人提出過(guò)。在最初的標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子被假定靜質(zhì)量為零。然而，如果中微子的靜質(zhì)量不為零，科學(xué)家預(yù)言可能會(huì)出現(xiàn)“中微子振蕩”現(xiàn)象，也就是說(shuō)，中微子會(huì)一邊飛行，一邊變身為其他類型的中微子，轉(zhuǎn)變概率與它的能量和飛行距離有關(guān)。有意思的是，變身后的中微子再飛一段還能變回來(lái)。所以，如果探測(cè)器檢測(cè)不出變身的中微子，就會(huì)讓人感覺(jué)數(shù)量低于預(yù)期。

目前人類已知宇宙中存在的中微子有3種，它們與電子、繆子（μ子，加重版的電子）、陶子（τ子，超重版的電子）一道產(chǎn)生，所以分別被稱為電子中微子、繆中微子和陶中微子，又稱為中微子的3種“味”。新鮮出爐的太陽(yáng)中微子都是“電子味”的，如果能檢測(cè)到它變成的其他“味”，是不是就能找到丟失的中微子了呢？

由梶田隆章主持的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)從1996年開(kāi)始運(yùn)作。該實(shí)驗(yàn)使用的中微子探測(cè)器具備辨識(shí)中微子運(yùn)動(dòng)方向和“味”的能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，來(lái)自探測(cè)器下方的繆中微子明顯少于上方的。這個(gè)差異該如何解讀呢？上方的繆中微子由宇宙線轟擊頭頂?shù)拇髿鈱铀a(chǎn)生，而下方的繆中微子源于地球另一側(cè)的大氣層，再穿越整個(gè)地球抵達(dá)探測(cè)器。雖然地球?qū)χ形⒆觼?lái)說(shuō)近乎透明，但地球的直徑不可忽略，當(dāng)來(lái)自下方的繆中微子穿越整個(gè)地球后，繆中微子自身的“味”發(fā)生了變化。因此，超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)找到了大氣中微子振蕩的確鑿證據(jù)。

在后來(lái)的SNO實(shí)驗(yàn)中，“太陽(yáng)中微子問(wèn)題”也得到了解決。這次實(shí)驗(yàn)利用重水作為攔截物質(zhì)，能夠探測(cè)中微子的所有3種“味”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，3種中微子的總量與太陽(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)相符。看來(lái)電子中微子在從太陽(yáng)到地球的旅途中，確實(shí)變成了其他“味”，從而導(dǎo)致了“中微子失竊案”。

話說(shuō)回來(lái)，究竟為什么會(huì)出現(xiàn)中微子振蕩呢？理論認(rèn)為，從弱相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的中微子，不是純粹的“它自己”，而是3個(gè)波包的疊加，每個(gè)波包對(duì)應(yīng)一種質(zhì)量本征態(tài)。當(dāng)中微子飛行時(shí)，這些質(zhì)量互不相等的波包會(huì)發(fā)生相干，使得最初的中微子類型逐漸消失又重新產(chǎn)生。

上面這段可能比較晦澀，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，我們只需要知道：科學(xué)家把這3種質(zhì)量本征態(tài)分別稱為1態(tài)、2態(tài)、3態(tài)，它們的混合可以從數(shù)學(xué)上用3個(gè)混合角與3個(gè)復(fù)相位來(lái)描述，總共6個(gè)參數(shù)。目前，科學(xué)家對(duì)中微子質(zhì)量起源的機(jī)制還不夠了解，只能把這些參數(shù)當(dāng)成獨(dú)立變量，從實(shí)驗(yàn)中測(cè)量它們。

中微子研究有望發(fā)現(xiàn)新物理

科學(xué)家在太陽(yáng)中微子振蕩實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定了1態(tài)和2態(tài)的混合參數(shù)，又通過(guò)大氣中微子實(shí)驗(yàn)確定了2態(tài)和3態(tài)的混合參數(shù)。2012年3月，我國(guó)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)從7個(gè)國(guó)家的8個(gè)小組中脫穎而出，率先給出了1態(tài)、3態(tài)之間的混合參數(shù)。

大亞灣實(shí)驗(yàn)站由8個(gè)中微子探測(cè)器組成，4個(gè)探測(cè)器分別部署在距離大亞灣核電站和嶺澳核電站500米的位置，另外4個(gè)探測(cè)器集中設(shè)置在距離這兩座核電站1.6公里的地方，每個(gè)探測(cè)器內(nèi)含20噸的摻釓液閃。這個(gè)實(shí)驗(yàn)站選址非常理想，緊鄰世界上最大的核反應(yīng)堆之一，有充足的中微子源，并且靠近高山，可以有效屏蔽宇宙線的干擾。在研究人員堅(jiān)持不懈的努力下，大亞灣實(shí)驗(yàn)站在世界上率先獲得高精度、高置信度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是預(yù)料中的事。

繼大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)成功后，我國(guó)迅速啟動(dòng)了下一代中微子研究項(xiàng)目——江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)站。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)站的探測(cè)器是目前全世界最大的液閃中微子探測(cè)器。它深埋在地下700米，上方還有270米高的花崗巖山體充當(dāng)屏蔽層，能很好地減少宇宙線的干擾。探測(cè)器的核心設(shè)施是一個(gè)直徑35.4米的有機(jī)玻璃球，內(nèi)部裝有2萬(wàn)噸直鏈烷基苯液體閃爍體，并被45000根光電倍增管包圍著。這個(gè)主探測(cè)器由直徑41.1米的不銹鋼網(wǎng)殼支撐，完全浸沒(méi)在一個(gè)44米深的水池中，水池承擔(dān)著屏蔽宇宙線與測(cè)量宇宙線徑跡以排除干擾的功能。

已經(jīng)有了大亞灣實(shí)驗(yàn)站，為何還要建設(shè)江門(mén)實(shí)驗(yàn)站，且做得如此龐大？這一切都是由科學(xué)目標(biāo)決定的。大亞灣實(shí)驗(yàn)站要測(cè)量1態(tài)和3態(tài)之間的混合參數(shù)，這種振蕩在距離發(fā)射源兩公里附近比較顯著。而江門(mén)實(shí)驗(yàn)站的首要科學(xué)目標(biāo)是對(duì)3種中微子做質(zhì)量測(cè)序，質(zhì)量差異導(dǎo)致的能級(jí)分化在距粒子源50-55公里處才比較顯著，因此，江門(mén)實(shí)驗(yàn)站選址在距離陽(yáng)江與臺(tái)山兩座核電站各53公里的位置。中微子流量與距離的平方成反比，當(dāng)距離增加30倍，中微子流量就衰減到九千分之一。所以，江門(mén)實(shí)驗(yàn)站的探測(cè)器規(guī)模必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于距離粒子源僅1.6公里的大亞灣探測(cè)器。

“超大規(guī)模”對(duì)實(shí)驗(yàn)的靈敏度和準(zhǔn)確性帶來(lái)了挑戰(zhàn)，假如在探測(cè)器正中心出現(xiàn)了閃光，它需要保證能被17米球半徑外的光電倍增管看到。江門(mén)實(shí)驗(yàn)站所用的液閃非常干凈，具有很高的光輸出、極好的透明度和極低的放射性本底，光傳輸衰減長(zhǎng)度大于20米，這是目前世界最高水平。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家發(fā)明了全新構(gòu)型和電子放大方式的新型光電倍增管，收集效率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，并擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。此外，為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，探測(cè)器的有機(jī)玻璃球的板材生產(chǎn)采用了獨(dú)特配方和工藝，材料中的天然放射性元素質(zhì)量占比小于一萬(wàn)億分之一。

“超大規(guī)模”也考驗(yàn)著工程技術(shù)。探測(cè)器的有機(jī)玻璃球重約600噸，是世界最大的單體有機(jī)玻璃球。探測(cè)器內(nèi)部是2萬(wàn)噸液閃，外部是3.5萬(wàn)噸水，球體內(nèi)外壓力不同，對(duì)球體的拼接工藝要求也很高。另外，有機(jī)玻璃球置于水中，還要長(zhǎng)期承受約3000噸的浮力，工程團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化，讓各個(gè)受力節(jié)點(diǎn)都獲得了超高承載能力。

歷史上，已有4次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了中微子方面的研究，其科學(xué)價(jià)值可見(jiàn)一斑。然而圍繞中微子，仍有眾多謎團(tuán)待揭曉，比如涉及其質(zhì)量大小和起源、質(zhì)量順序、是否造成宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱等，這些都是重量級(jí)的物理學(xué)話題，甚至牽涉到宇宙起源模型問(wèn)題。而且，中微子研究有潛力發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，對(duì)理解宇宙演化、恒星形成、超新星爆發(fā)機(jī)制等具有重要意義。除了研究反應(yīng)堆中微子之外，江門(mén)實(shí)驗(yàn)站探測(cè)器還可以探索地球中微子、太陽(yáng)中微子、超新星中微子和假說(shuō)的惰性中微子。預(yù)計(jì)2030年，江門(mén)實(shí)驗(yàn)站探測(cè)器升級(jí)后將能夠測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量，有望在一系列基礎(chǔ)物理領(lǐng)域取得突破性的進(jìn)展。

（作者為中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）