歷時9年多，位于中國廣東的江門中微子實驗探測器主體于2024年11月20日全部建成，計劃明年正式運行。消息一出，科技界對之高度關注。那么，讓科學家“興師動眾”的中微子是什么神秘物質？為何要將中微子實驗探測器的主體建在地下700米？通過它又可以開展哪些科學研究呢？

中微子假說源于一樁“失竊案”

中微子其實是一種被預言出來的基本粒子，就像海王星那樣，人們意識到“天王星軌道外應該還有個大家伙”，于是算出它的位置，再去尋找它。當初預言海王星，是因為天王星“遲到早退”，那提出宇宙中存在中微子的根據又是什么呢？這一設想的開頭，是一樁“能量失竊案”。

放射性元素有種現象叫作“β衰變”，即原子核里的中子會衰變?yōu)橘|子，并放出一個電子（也稱β粒子）。因發(fā)現中子而獲得1935年諾貝爾物理學獎的英國物理學家查德威克早在1914年就通過實驗證實，β粒子具有連續(xù)的能譜，也就是說，它的能量不是個確定值，而是從零到某一上限中的各種可能性都有，而它的兩個“兄弟”α粒子和γ射線總是乖乖地帶出確定的能量。這個現象令科學家大惑不解，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”，丹麥物理學家玻爾提議，能量守恒定律可能只是建立在極大基數上的統計規(guī)律，而不適用于每個單獨的微觀事件，準備修正這條基本物理法則。

然而，奧地利物理學家泡利主張，既然β粒子的能量有上限，事情就還沒嚴重到修改物理法則的地步，興許只是有個善于隱身的“能量竊賊”。他在1930年底寫給蘇黎世聯邦理工學院的信中提出，除了電子之外，β衰變還產生了一個當時科技手段探測不到的極小中性粒子，帶著能量偷偷溜走了。

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

從此，中微子走進物理界，圍繞它建立了一系列基礎理論。萬事俱備，只待實踐驗證。

“捕捉成功”預言變現實

既然提出了中微子，科學家就想盡一切辦法去尋找它。1956年，美國物理學家萊因斯和柯溫在距離美國薩瓦納河反應堆堆芯11米遠的地下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時世界最大的中微子探測器，明確檢測到來自反應堆的中微子，印證了此前提出的理論。這個“能量竊賊”被抓獲時，距離泡利的預言已經過去26年，令人欣慰的是，當時泡利仍然在世，見證了預言變?yōu)楝F實。

我們身邊的中微子其實非常多，在地球上指甲蓋大小的面積，每秒就有600億個太陽中微子浩浩蕩蕩地通過。中微子質量極小，并且不帶電荷，在宇宙的4種基本作用力（指引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力，控制著宇宙中各種物理現象和自然規(guī)律）中，它只參與引力作用和弱相互作用。由于質量極小的中微子表現不出什么引力，而弱相互作用的作用距離又極短，因此中微子在穿過一般物質時基本不會受到阻礙，在它們面前，整個地球乃至太陽都是透明的。打個比方，穿過地球這么厚的物質，100億個中微子可能只會被截住一個。

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

中微子探測設備通常是個大容器，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。在穿越探測設備的無數中微子里，假如有個幸運兒撞進了熒光液體中的某個原子核，并和質子發(fā)生反應，那么這個質子就會變成中子，并釋放一個正電子。正電子隨即和附近的電子湮滅，化為一對γ光子，然后激發(fā)熒光液體發(fā)出一次可見光的閃爍，這種閃爍被設置在周圍的光電倍增管監(jiān)測到，科學家就能“看到”中微子了。這種熒光液體叫作“液體閃爍體”，簡稱“液閃”。

當然，能造成閃爍的因素有很多，例如宇宙線。為了避免“抓錯人”，科學家還會在液閃里摻雜一些擅長俘獲中子的元素，如鎘或釓。中微子與質子反應所產生的中子，會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激發(fā)第二次閃爍。這種綁定的“雙閃信號”特征鮮明，能夠幫助科學家有效排除干擾，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)現后，科學家對其展開了種種研究，很快就牽扯出第二樁“失竊案”——中微子失蹤了。

20世紀60年代，美國物理學家戴維斯在其領導的霍姆斯特克實驗中，發(fā)現太陽中微子的流量只有標準太陽模型預測值的三分之一。1988年，日本物理學家梶田隆章和他的兩位導師在神岡實驗中發(fā)現，因宇宙線轟擊大氣頂層而產生的中微子也比預期的少。這兩個發(fā)現被科學界稱為“太陽中微子問題”和“大氣中微子反常”。

關于中微子丟失的理論解釋，其實很早就有人提出過。在最初的標準模型中，中微子被假定靜質量為零。然而，如果中微子的靜質量不為零，科學家預言可能會出現“中微子振蕩”現象，也就是說，中微子會一邊飛行，一邊變身為其他類型的中微子，轉變概率與它的能量和飛行距離有關。有意思的是，變身后的中微子再飛一段還能變回來。所以，如果探測器檢測不出變身的中微子，就會讓人感覺數量低于預期。

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”。新鮮出爐的太陽中微子都是“電子味”的，如果能檢測到它變成的其他“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神岡實驗從1996年開始運作。該實驗使用的中微子探測器具備辨識中微子運動方向和“味”的能力。實驗結果表明，來自探測器下方的繆中微子明顯少于上方的。這個差異該如何解讀呢？上方的繆中微子由宇宙線轟擊頭頂的大氣層所產生，而下方的繆中微子源于地球另一側的大氣層，再穿越整個地球抵達探測器。雖然地球對中微子來說近乎透明，但地球的直徑不可忽略，當來自下方的繆中微子穿越整個地球后，繆中微子自身的“味”發(fā)生了變化。因此，超級神岡實驗找到了大氣中微子振蕩的確鑿證據。

在后來的SNO實驗中，“太陽中微子問題”也得到了解決。這次實驗利用重水作為攔截物質，能夠探測中微子的所有3種“味”。實驗結果顯示，3種中微子的總量與太陽標準模型的預測相符?？磥黼娮又形⒆釉趶奶柕降厍虻穆猛局?，確實變成了其他“味”，從而導致了“中微子失竊案”。

話說回來，究竟為什么會出現中微子振蕩呢？理論認為，從弱相互作用過程中產生的中微子，不是純粹的“它自己”，而是3個波包的疊加，每個波包對應一種質量本征態(tài)。當中微子飛行時，這些質量互不相等的波包會發(fā)生相干，使得最初的中微子類型逐漸消失又重新產生。

上面這段可能比較晦澀，不過沒關系，我們只需要知道：科學家把這3種質量本征態(tài)分別稱為1態(tài)、2態(tài)、3態(tài)，它們的混合可以從數學上用3個混合角與3個復相位來描述，總共6個參數。目前，科學家對中微子質量起源的機制還不夠了解，只能把這些參數當成獨立變量，從實驗中測量它們。

中微子研究有望發(fā)現新物理

科學家在太陽中微子振蕩實驗中，測定了1態(tài)和2態(tài)的混合參數，又通過大氣中微子實驗確定了2態(tài)和3態(tài)的混合參數。2012年3月，我國的大亞灣中微子實驗從7個國家的8個小組中脫穎而出，率先給出了1態(tài)、3態(tài)之間的混合參數。

大亞灣實驗站由8個中微子探測器組成，4個探測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個探測器集中設置在距離這兩座核電站1.6公里的地方，每個探測器內含20噸的摻釓液閃。這個實驗站選址非常理想，緊鄰世界上最大的核反應堆之一，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。在研究人員堅持不懈的努力下，大亞灣實驗站在世界上率先獲得高精度、高置信度的實驗數據，是預料中的事。

繼大亞灣中微子實驗成功后，我國迅速啟動了下一代中微子研究項目——江門中微子實驗站。江門中微子實驗站的探測器是目前全世界最大的液閃中微子探測器。它深埋在地下700米，上方還有270米高的花崗巖山體充當屏蔽層，能很好地減少宇宙線的干擾。探測器的核心設施是一個直徑35.4米的有機玻璃球，內部裝有2萬噸直鏈烷基苯液體閃爍體，并被45000根光電倍增管包圍著。這個主探測器由直徑41.1米的不銹鋼網殼支撐，完全浸沒在一個44米深的水池中，水池承擔著屏蔽宇宙線與測量宇宙線徑跡以排除干擾的功能。

已經有了大亞灣實驗站，為何還要建設江門實驗站，且做得如此龐大？這一切都是由科學目標決定的。大亞灣實驗站要測量1態(tài)和3態(tài)之間的混合參數，這種振蕩在距離發(fā)射源兩公里附近比較顯著。而江門實驗站的首要科學目標是對3種中微子做質量測序，質量差異導致的能級分化在距粒子源50-55公里處才比較顯著，因此，江門實驗站選址在距離陽江與臺山兩座核電站各53公里的位置。中微子流量與距離的平方成反比，當距離增加30倍，中微子流量就衰減到九千分之一。所以，江門實驗站的探測器規(guī)模必須遠遠大于距離粒子源僅1.6公里的大亞灣探測器。

“超大規(guī)模”對實驗的靈敏度和準確性帶來了挑戰(zhàn)，假如在探測器正中心出現了閃光，它需要保證能被17米球半徑外的光電倍增管看到。江門實驗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，光傳輸衰減長度大于20米，這是目前世界最高水平。中國科學院高能物理研究所的科學家發(fā)明了全新構型和電子放大方式的新型光電倍增管，收集效率等關鍵技術指標國際領先，并擁有完全自主知識產權。此外，為了提高實驗的準確性，探測器的有機玻璃球的板材生產采用了獨特配方和工藝，材料中的天然放射性元素質量占比小于一萬億分之一。

“超大規(guī)模”也考驗著工程技術。探測器的有機玻璃球重約600噸，是世界最大的單體有機玻璃球。探測器內部是2萬噸液閃，外部是3.5萬噸水，球體內外壓力不同，對球體的拼接工藝要求也很高。另外，有機玻璃球置于水中，還要長期承受約3000噸的浮力，工程團隊經過反復設計優(yōu)化，讓各個受力節(jié)點都獲得了超高承載能力。

歷史上，已有4次諾貝爾物理學獎頒給了中微子方面的研究，其科學價值可見一斑。然而圍繞中微子，仍有眾多謎團待揭曉，比如涉及其質量大小和起源、質量順序、是否造成宇宙中物質與反物質的不對稱等，這些都是重量級的物理學話題，甚至牽涉到宇宙起源模型問題。而且，中微子研究有潛力發(fā)現超出標準模型的新物理，對理解宇宙演化、恒星形成、超新星爆發(fā)機制等具有重要意義。除了研究反應堆中微子之外，江門實驗站探測器還可以探索地球中微子、太陽中微子、超新星中微子和假說的惰性中微子。預計2030年，江門實驗站探測器升級后將能夠測量中微子的絕對質量，有望在一系列基礎物理領域取得突破性的進展。

（作者為中國科普作家協會會員）