这不是故事，我国用“黄金瞳”来捕获“幽灵粒子”

11月20日，广州江门中微子实验探测器（JUNO）的最后一块光电倍增管模块安装完毕，标志着这台大型实验平台的主体建设进入尾声，明年8月它将按计划开始观测有“幽灵粒子”之称的中微子。

01

揭秘中微子

在有关中微子的新闻报道中，不少媒体说这台装置的任务是找到“阿飘（鬼魂）粒子”，其实科学家早就捉到了中微子。

简单的说中微子（符号υ）是一种比原子小得多的基本粒子。无电荷，质量极小，几乎不会与物质发生交互，它在广袤的宇宙中穿行，却几乎不留下任何痕迹，因此人类对它并不了解，被称为“幽灵粒子”。

根据现代粒子物理学认为，构成物质世界的最基本单元是6种夸克和6种轻子。他们包括6种夸克（上、下、奇异、粲、底、顶），3种带电轻子（电子e、缪子μ和陶子τ）和3种中微子（电子中微子υe、缪中微子υμ和陶中微子υτ）。

粒子物理标准模型：物质由夸克和轻子组成，规范玻色子是传递基本相互作用的媒介粒子，希格斯玻色子赋予基本粒子质量。

1930年，诺贝尔物理学奖得主泡利，预言了β衰变中会产生一种不带电的未知粒子，他说“我做了件很糟糕的事。我预言了一种无法测到的粒子。”到了1933年，费米把这种“无法测到的粒子”正式命名为中微子。由于中微子难以捕捉，直到1956年，美国科学家莱因斯才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子。

诺贝尔奖分外青睐中微子，物理学奖因首次观测到中微子；发现第二种中微子——μ中微子；发现太阳中微子失踪现象以及观测到超新星中微子；发现中微子振荡现象，证实中微子有质量，4次颁给了中微子研究领域。

中微子振荡示意图。一个电子中微子具有三种质量本征态成分，传播一段距离后变成电子中微子、μ中微子、τ中微子的叠加

1970年起，美国科学家持续测量来自太阳的中微子流量，他们发现实测值只有理论值的三分之一。为了解释这种太阳中微子失踪现象，人们有各种猜测，甚至认为太阳的核聚变功率只剩预期的三分之一，因此出现了太阳会提前熄灭的谣言。后来中微子振荡才解释了这个问题，中微子振荡是指三种中微子在传播过程中可以相互转化，它们各自有其独特的性质，而旧设备只能检测一种中微子。

并且，中微子振荡说明中微子并不像当初标准模型设想那样质量为零。而且不同种类中微子的质量有微小差异。

02

揭秘江门中微子实验探测器（JUNO）

中微子几乎不与其他物质发生相互作用，这使得捕捉它们变得极其困难。每秒钟，数十亿个太阳产生的中微子会穿越我们的身体，但我们却毫无察觉。中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力。

穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。所以，在所有基本粒子中，人们对中微子了解最少。

为了捕捉中微子，科学家们设计出各种巧妙的方法和独特的装置。这个实验室建在广东江门开平市金鸡镇、赤水镇一带的打石山地下700米深处。位置是科学家精心挑选的，从这里到阳江核电站和台山核电站距离都是53公里，且到两个核电站的连线夹角刚好成90°。

根据中微子振荡理论，探测器在距离反应堆约50公里的位置上具有最高的灵敏度，刚好可以对比观测两个核电站反应堆中释放出的中微子。而700米厚的岩石，可以有效屏蔽宇宙线和外界其他干扰，让实验装置捕获到纯净的中微子信号。

实验室选址充分利用两个核电站产生的中微子

反应堆中微子味道分数随距离变化示意图。我们只测了这张图上的若干个点，但这些点均与这张图符合的很好。

实验装置的主体是个不锈钢做成的大球，它的足有12层楼那么高。球体内面安装了2万个51厘米的大尺寸光电倍增管和2.5万个7.6厘米的光电倍增管。大球内还有个有机玻璃做的内层，里面装了2万吨液体闪烁体。为了平衡压力两层球中间灌满6千吨矿物油，大球浸泡在3.5万吨的超纯水中央。

装置设计示意图

江门中微子实验装置

进入大球的中微子会有极小的机会撞在液态闪烁体的原子核上，发出仅几万个光子的微弱闪烁，这些微弱的闪光被光电倍增管捕获，作为目前光子探测效率最高的光电倍增管，它能把信号放大1亿倍，所以科学家们结合它的外形给它起了一个好听的名字——黄金瞳。

科学家估计这个大球未来每天能捕捉到47个中微子。作为最先进的中微子观测设备，这台装置的首要任务是确定三种中微子的质量顺序。之后的目标是进行无中微子双β衰变实验，回答中微子是否为自身反粒子这一重大科学问题。

光电倍增管像大灯泡

03

测量中微子质量顺序

中微子质量顺序指的是中微子的三个质量本征态（m1、m2、m3）的排列顺序。目前人们还不知道是正质量顺序（m3>m2>m1）或是倒质量顺序（m2>m1>m3）中的哪一种。

要注意，中微子的质量本征态（m1、m2、m3）与它们的味本征态（νe、νμ、ντ）并不等同，后者是前者以不同方式进行线性叠加后产生的量子态。

江门中微子探测器希望凭借足够精细的能量分辨率加上足够长的观测时间，用足够丰富的数据积累，为53公里外的两个反应堆绘制出中微子能谱，从而推断出中微子的质量顺序。但是，利用中微子振荡实验不能得到中微子绝对质量大小的任何信息。

目前，根据位于德国的国际氚中微子实验（KATRIN），我们知道中微子质量新上限是0.8电子伏特（eV）。1电子伏特定义为一个电子经过1伏特电位差加速后所获得的动能。在量子物理学中，由于爱因斯坦的质能方程E=mc^2，质量和能量是可以相互转换的，因此电子伏特也可以作为粒子质量的单位，如电子的质量约为0.511百万电子伏特（MeV），因此中微子的质量最多不到电子的63万分之一。

04

为什么物质比反物质多

在现代物理学中，所有的粒子都有反粒子：电子有反电子（正电子），夸克有反夸克，中子和质子有反中子和反质子。反粒子组成反物质，物质和反物质在一起会湮灭。理论上，物质和反物质的数量应该是相等的，在宇宙大爆炸初期，它们就应该全部相互湮灭。

现在，原子构成的物质仍然占宇宙物质总量的5%，这少得可怜的物质就包括我们人类。

我们为什么会存在？群星为何会存在？这仍是一个谜。中微子是电中性，有些科学家认为它的反粒子可能就是它自己。这造成了宇宙中正物质比反物质要多一点。这一概念从未得到证实。

锦屏山地下2400米处锦屏大设施（CJPL）中国暗物质实验装置

科学家期望能观测到无中微子双β衰变现象：如果中微子真的就是自己的反粒子，那么就有极低概率发生原子核衰变时释放两个电子而不释放中微子的“无中微子双β衰变”过程。

当然即使这种现象真的能发生，也需要最灵敏的观测设备去寻找，中国的锦屏大设施（极深地下极低辐射本底前沿物理实验设施）和江门中微子实验装置在这方面具有后发优势。

在宇宙大爆炸后1秒，中微子开始大量生成，宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成的。它能以接近光速传播，不受电磁场干扰，在宇宙中长距离传播时几乎不衰减，虽然难以捕捉但也非常适合用来观测恒星内部、星系中心和超新星爆炸。中微子还符合热暗物质的定义，是迄今为止唯一能观测到的狭义暗物质。未来如果能观测到宇宙中微子背景辐射，那么我们就能掌握更多宇宙起源和演化的信息。而如果无中微子双β衰变真的被看到，它会告诉我们所有关于所有物质如何存在的基础信息。注意不仅仅是这种物质，而是所有物质！

人类将会在寻找宇宙真理的道路上迈出重大一步。

微信订阅

欢迎通过邮局渠道订阅2025年《电脑报》

邮发代号：77-19

单价：8元，年价：400元

编辑｜张毅

审核｜吴新

爆料联系：cpcfan1874（微信）

壹零社：用图文、视频记录科技互联网新鲜事、电商生活、云计算、ICT领域、消费电子，商业故事。《中国知网》每周全文收录；中国科技报刊100强；2021年微博百万粉丝俱乐部成员；2022年抖音优质科技内容创作者