編者按：“工欲善其事，必先利其器。”前沿科技的探索，離不開強大科研設(shè)施的支持。在我國，就有許多這樣長期運行的大科學(xué)裝置，它們是現(xiàn)代科技取得突破的必要條件，也是具有重大戰(zhàn)略意義的國之利器。本系列文章將為你揭開大科學(xué)裝置的神秘面紗，帶你走進(jìn)它們背后的科學(xué)與故事。

8月26日，廣東江門附近700米深處的地下傳來好消息：經(jīng)過十多年的精心準(zhǔn)備和建設(shè)，中國江門中微子實驗（JUNO）終于成功完成了核心探測器2萬噸的液體閃爍體灌注，正式開始運行。它的使命，是用于研究宇宙中最神秘的“幽靈粒子”——中微子的質(zhì)量排序問題。

那么，究竟什么是中微子，我們又是怎么探測它的呢？今天，就讓我們走進(jìn)大科學(xué)裝置的第一站——江門中微子實驗，來一探究竟吧！

星空下的JUNO 來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

01看不見的“幽靈粒子”

這項實驗的主角——中微子是一種非常有趣的粒子，它和我們所熟悉的電子、夸克類似，都是組成物質(zhì)的基本粒子。這里的“基本”表明，在我們現(xiàn)在的物理學(xué)體系里面，它們都是不可分割的。但是，比起這幾種我們熟悉的粒子，中微子的存在更難被探測到，它也有著更多神秘的性質(zhì)。

中微子的發(fā)現(xiàn)，來自于一種原子核反應(yīng)——β衰變。一些放射性原子核內(nèi)的中子，會釋放出電子，然后自己轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子。但是在這個過程中，有一些能量卻“不翼而飛”了。因此，應(yīng)該還有一種難以探測的粒子，“偷走”了一部分能量。這個“小偷”就是后來人們發(fā)現(xiàn)的中微子。

β衰變示意圖 其中最小的白色粒子是一個反電子中微子  來源：維基百科

“中”和“微”代表著，它是一種中性的，很小的粒子。中性，就是說它不帶電荷，所以它不會與物質(zhì)中的電子反應(yīng)，也不會受到電磁場的影響。

而它的“微”更讓人難以想象。對于原子核外的電子，你是否已經(jīng)覺得它“很輕很輕”了？現(xiàn)在，科學(xué)家們雖然還不能具體地確定中微子的質(zhì)量，但已知的中微子的質(zhì)量上限，還要比電子再輕一百萬倍。

這樣中性而微小的粒子，可以筆直地穿過遙遠(yuǎn)的宇宙空間，也可以筆直地穿過地球、穿過我們的身體……就在此時，數(shù)萬億個中微子正在穿過我們，但它們絲毫不會被我們察覺，也不會對我們產(chǎn)生危害。

中微子可以輕易地穿過地球 也不會受電荷的影響 來源：超級神岡實驗官網(wǎng)

那么，中微子又是從哪里來的呢？它們主要來自于弱相互作用力相關(guān)的核反應(yīng)。離我們最近的恒星：太陽，就是一個這樣巨大的中微子來源。除此之外，還有超新星爆發(fā)、宇宙射線與地球大氣的碰撞、地球內(nèi)部的放射性衰變等等，都能夠“生產(chǎn)”中微子。所以，中微子還是一個優(yōu)秀的“信使”，為我們帶來關(guān)于超新星、關(guān)于宇宙、關(guān)于地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的消息。

不同來源的中微子與它們的能量分布 來源：費米國家實驗室

除了這些自然界中存在的反應(yīng)，還有人工制造中微子的方法：來自加速器中的高能粒子碰撞，或者來自核反應(yīng)堆中的核裂變。核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子能量較低，但數(shù)量龐大。比如，每天為我們的生活提供電力的核電站，它就有一個隱藏的“斜杠身份”——一座穩(wěn)定輸出的“中微子工廠”。

02大山深處的“水晶球”

江門中微子實驗的裝置，主要捕獲的就是來自核電站的中微子。為了做到這一點，它的位置可不是隨便選的。

江門中微子實驗選址與兩座核電站在地圖上的位置 來源：JUNO官網(wǎng)

它距離中微子源——廣東陽江和臺山的兩座核電站都是53公里，對于這項實驗的科學(xué)目標(biāo)：測量中微子的質(zhì)量順序來說，恰好處于合適的距離范圍。而且，這里又在大山深處，有了厚重山體的保護(hù)，再加上深埋地下，它就能夠屏蔽宇宙射線的干擾，收集到分辨率更高的中微子數(shù)據(jù)。

用于收集數(shù)據(jù)的核心裝置，是一個直徑為35.4米的有機玻璃巨大“水晶球”，安裝在用于屏蔽干擾信號的水池中央。在這個球內(nèi)部，填充有有效質(zhì)量2萬噸的液體閃爍體。液體閃爍體的主要成分是線性烷基苯，這是一種無毒無害的有機物，也是我們?nèi)沼孟礈靹┑闹饕牧稀?/p>

安裝過程中的中心探測器 來源：JUNO官網(wǎng)

中微子這樣來無影去無蹤的粒子，在經(jīng)過這些液體閃爍體時，卻有可能留下蛛絲馬跡——一些微弱的光。這些光會被傳到玻璃球外層的“火眼金睛”——光電倍增管上。

為了JUNO實驗裝置的建設(shè)，我國的科學(xué)家們聯(lián)合企業(yè)，成功研制并量產(chǎn)了 20英寸微通道板型光電倍增管。它們可以將微弱的光成倍地放大，轉(zhuǎn)化為可以被探測到的電信號。這就是JUNO裝置探測中微子的基本方法。

中心探測器內(nèi)部的有機玻璃球（左下） 及光電倍增管（右上） 來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

這樣精妙的設(shè)計，大型的工程，可不是一蹴而就的，它凝結(jié)了科學(xué)家們十多年的心血。從2008年中國科學(xué)院高能物理研究所提出構(gòu)想，到2013年獲得國家和地方政府的大力支持，再到2015年啟動地下實驗室建設(shè)，每一步都充滿挑戰(zhàn)。

好在，功夫不負(fù)有心人，科學(xué)家們的努力終于取得了收獲。JUNO在試運行期間首批獲取的數(shù)據(jù)顯示，其探測器關(guān)鍵性能指標(biāo)全面達(dá)到或超越設(shè)計預(yù)期，它的能量分辨率也達(dá)到了國際領(lǐng)先的水平。

JUNO探測到的一個反應(yīng)堆中微子事例 來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

03這一次，我們能知道什么？

江門中微子實驗的主要目標(biāo)，是用于解答中微子的“質(zhì)量順序問題”，這又是什么意思呢？

這涉及到中微子的另一個奇特性質(zhì)：中微子振蕩。

用通俗的話說，這就像中微子對外有三種“身份”，而且這三種“身份”在傳播的過程中還可以互相轉(zhuǎn)換。這本質(zhì)上的原因是，每個中微子的外在“身份”，都是由三個“內(nèi)在人格”按照不同比例組合而成的。

中微子的“外在身份” 就好像穿著不同的衣服，可以改變 來源：Syracuse University

這三個“內(nèi)在人格”，就是中微子的“質(zhì)量本征態(tài)”，它們各自有著非常小的質(zhì)量，但又有著細(xì)微的差異。因為這微小的質(zhì)量差異，在一個中微子“出發(fā)”之后，它的三個“內(nèi)在人格”跑起來的步調(diào)卻不太相同，導(dǎo)致了在不同的時刻，這三者出現(xiàn)的比例也有多有少。在表面上看，就好像是中微子在不停地“切換身份”一樣。

那么，這三個質(zhì)量分別是多少？很可惜，現(xiàn)在還沒有實驗?zāi)軠y定出一個精確的值。現(xiàn)在人們只知道，質(zhì)量1和質(zhì)量2之間的差距并不大，但是和質(zhì)量3相差卻很大。所以，這里就存在兩種可能性：

兩種中微子質(zhì)量順序 來源：JUNO Collaboration / JGU-Mainz

一種可能是質(zhì)量3比質(zhì)量1和2都大不少，科學(xué)家把它命名為“正常質(zhì)量順序”，另一種則是質(zhì)量3比質(zhì)量1和2都小，這種就叫做“反常質(zhì)量順序”。到底哪一種是對的呢？這就是中微子研究領(lǐng)域中十分重要的下一步，也就是“質(zhì)量順序問題”。它正期待著江門的全新實驗裝置為我們解答。

以上，就是江門中微子實驗的“主線任務(wù)”，不過，這樣好的探測器，當(dāng)然還要更加地“物盡其用”。

所以，它還有許多“支線任務(wù)”：探測來自大氣、太陽、超新星以及地球內(nèi)部的其他中微子。這使它不僅能在粒子物理領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)，還有可能對宇宙學(xué)、天體物理、乃至地球物理都做出貢獻(xiàn)。在這個探測器30年的使用壽命結(jié)束之后，它還可以繼續(xù)升級改造，用于探索中微子領(lǐng)域的其他問題。

04結(jié)語

看到這里，你是不是對江門的中微子實驗多了一些了解呢？不過，如果你覺得自己還是對中微子十分陌生，其實也沒有關(guān)系。因為，它就是這樣一種神秘的粒子，即使是科學(xué)家們，對它的認(rèn)識也還有著許許多多的困惑。

不過，正是因為在它身上還有這么多的謎團(tuán)，它才吸引了全球這么多的科學(xué)家為它努力?；蛟S其中任何一個謎團(tuán)的解答，都會成為打開新物理大門的一把鑰匙。期待未來，中國科學(xué)家的成果能夠為這個領(lǐng)域再添上濃墨重彩的一筆！

作者：張一凡

審核專家：錢森 中國科學(xué)院高能物理研究所研究員

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布