【導語】2025年8月26日，中國江門中微子實驗（JUNO）成功完成2萬噸液體閃爍體灌注並正式運行取數，有望測定三種中微子的重要物理參數。中微子被稱為“幽靈粒子”，能輕易穿透物質卻難以探測，其存在曾為β衰變能量不守恒之謎提供解答。中微子振蕩、第三種振蕩模式及質量順序等謎題，都是理解其性質的關鍵。JUNO實驗能否揭開中微子的神秘麵紗，帶來粒子物理學的突破？

2025年8月26日，江門中微子實驗（JUNO）成功完成2萬噸液體閃爍體灌注，並正式運行取數。該實驗有望測定有關三種中微子的重要物理參數。

本文將努力通俗解答理解該實驗裝置的幾個必要問題，包括報道中常見的“中微子振蕩”到底是什麽？大亞灣中微子實驗室證實存在的“中微子的第三種振蕩模式”又是什麽？中微子的質量順序是指什麽？這些實驗背後的物理和數學機製都有哪些？由此，糖心免费视频可以了解該實驗能對粒子物理所做的貢獻。

撰文 | 嘉偉

糖心免费视频的宇宙是令人歎為觀止的奇跡。根據當前宇宙學主流模型（ΛCDM模型），它由大約68%的神秘暗能量、27%的隱秘暗物質、4.9%的常規物質、0.1%的中微子以及0.01%的微弱電磁輻射（如宇宙微波背景輻射CMB）構成。

若是撇去至今仍(réng)牢(láo)牢(láo)守(shǒu)護(hù)著(zhe)自己秘密的暗能量和暗物質，人類科學目前僅能解釋和描述至多占比5%的“常規物質”+中微子+弱輻射能量。糖心免费视频甚至對中微子也不敢說知之甚詳。它們形如鬼魅，是名副其實的幽靈粒子——事實上，時時刻刻都一直有數十億的中微子穿過你我的身體，卻絲毫不被察覺。

今年8月末，中微子實驗研究史上的最了不起的工程之一——中國江門中微子實驗（Jiangmen underground neutrino observatory，JUNO）正式運行(xíng)。這(zhè)項(xiàng)大(dà)科學裝置的獨特之處在於，它建於地下700米深處，核心是一座高達35米的有機玻璃球體，其內部裝有2萬噸具有特殊材料性質的液體（即線性烷基苯作為閃爍液基底）；球體周圍分布著43200個不同大小規格的光電倍增管，能夠以收集光電子的方式探測特殊液體中的微弱閃光。按實驗目的的要求，它特意建造在距離可以產生中微子的核反應堆50公裏的地方，已有的核裂變反應堆正是實驗所需的持續中微子源。

圖1 江門地下中微子實驗探測器所在地理位置。| 圖源：中科院高能所

它是繼大亞灣反應堆中微子實驗後另一超大型中微子實驗設施，有望讓我國粒子物理學的實驗研究進入國際超一流行列。

圖2 江(jiāng)門(mén)中(zhōng)微(wēi)子(zi)設(shè)施(shī)中(zhōng)安(ān)裝(zhuāng)就(jiù)位(wèi)的(de)光(guāng)電(diàn)倍(bèi)增(zēng)管(guǎn) | 圖(tú)源(yuán)：中(zhōng)科(kē)院(yuàn)高(gāo)能(néng)所(suǒ)

我(wǒ)們(men)怎(zěn)麽(me)知(zhī)道(dào)中(zhōng)微(wēi)子(zi)存(cún)在(zài)？

我(wǒ)做(zuò)了(le)一(yī)件可怕的事，我假定了(le)一(yī)種(zhǒng)無(wú)法(fǎ)被(bèi)探(tàn)測(cè)的(de)粒(lì)子(zi)。

——沃(wò)爾(ěr)夫(fu)岡(gāng)·泡(pào)利(lì)

20世(shì)紀(jì)20年(nián)代(dài)，物(wù)理(lǐ)學(xué)家(jiā)分(fēn)析(xī)原(yuán)子(zi)核(hé)的(de)β衰(shuāi)變(biàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了(le)一(yī)個(gè)奇(qí)怪(guài)現(xiàn)象(xiàng)：衰(shuāi)變(biàn)產(chǎn)物的能量並不守恒！

按照經典物理學，衰變後的電子和質子應該有固定能量，但實驗顯示衰變所釋放的電子(zi)的(de)能(néng)量(liàng)是(shì)連(lián)續分布的。也就是說，有部分能量消失了，這令當時的物理學家非常困惑。麵對這個嚴峻挑戰，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）甚至試圖假定發生β衰變時能量不守恒。

1930年(nián)，著(zhe)名的(de)奧(ào)地(de)利(lì)理(lǐ)論(lùn)物(wù)理(lǐ)學(xué)家(jiā)沃(wò)爾(ěr)夫(fu)岡(gāng)·泡(pào)利(lì)（Wolfgang Pauli）就(jiù)此(cǐ)提(tí)出(chū)一(yī)大(dà)膽(dǎn)假(jiǎ)設(shè)：“為(wèi)了(le)拯(zhěng)救(jiù)能(néng)量(liàng)守(shǒu)恒(héng)定(dìng)律(lǜ)，我(wǒ)不(bù)得(de)不(bù)假(jiǎ)設(shè)存(cún)在(zài)一(yī)種(zhǒng)未(wèi)被(bèi)發(fā)現(xiàn)的(de)粒(lì)子(zi)。”

他認為原子核在β衰變中，除了釋放電子和質子或其它原子核，還會產生一個質量極小甚至為零、不帶電荷、幾乎不與物質相互作用的粒子——他稱之為“中性粒子”。意大利物理學家恩裏科·費米（Enrico Fermi）後來將這種粒子改命名為帶有意大利詞語風格的“neutrino”，意為“小中性粒子”，即中微子。1933年費米進一步建立了第一個定量描述β衰變的理論框架，把泡利假設的中微子納入其中。順便提一句，吳健雄後來通過實驗證實了費米β衰變理論的正確性。

此後就是物理學家和中微子鬥智鬥勇，且延續至今的探索之旅。首先要解決的問題就是，中微子真的存在嗎？

1942年，中國核物理學家、“兩彈一星”功勳之一的王淦昌先生在抗日戰爭時期西遷到貴州遵義的浙江大學時，首次提出使用K層軌道電子俘獲的β衰變來探測中微子的存在。1956年，兩位美國實驗物理學家克萊德·寇恩（Clyde Cowan）和弗瑞德裏克·萊因斯（Frederick Reines）設計了一個巧妙的反β衰變實驗：利用核裂變反應堆產生大量反中微子。

圖3 弗瑞德裏克·萊因斯（左）與克萊德·寇恩 | 圖源：SRS at 60——The Discovery of Neutrinos

他們倆在一個裝滿水的探測器中尋找反中微子與質子碰撞產生的跡象。反應產物是一個中子和一個正電子。通過探測這些產物，他們首次“探測”到了中微子，並迅速發電報把確切探測到中微子的好消息及時告訴泡利。這項成果讓萊因斯獲得了1995年諾貝爾物理學獎（此時其合作者寇恩已去世，未能獲獎）。

實驗找到中微子的存在證據，就完美解(jiě)決(jué)了(le)β衰(shuāi)變(biàn)的(de)能(néng)量(liàng)（不(bù)）守(shǒu)恒(héng)問(wèn)題(tí)。接(jiē)下(xià)來(lái)物(wù)理(lǐ)學(xué)家(jiā)希(xī)望(wàng)能(néng)搞(gǎo)清(qīng)這(zhè)種(zhǒng)神(shén)秘(mì)粒(lì)子(zi)的(de)性(xìng)質(zhì)，比如說(shuō)測(cè)得(de)中(zhōng)微(wēi)子(zi)的(de)質(zhì)量(liàng)……然(rán)而(ér)，他(tā)們(men)不(bù)得(de)不(bù)麵(miàn)對(duì)一(yī)個(gè)殘(cán)酷(kù)的(de)事(shì)實(shí)：極(jí)難(nán)探(tàn)測(cè)！

那(nà)麽(me)退(tuì)而(ér)求(qiú)其(qí)次(cì)，起(qǐ)碼(mǎ)要(yào)確(què)定(dìng)中微子是否具有質量吧？如此基礎的問題，回答起來也頗費周折。

中微子振蕩到底是什麽？

亞原子粒子都很古怪，中微子更是另類中的另類。它們的質量即便不是零，也絕對非常之小；它們接近光速傳播，還幾乎不與正常物質相互作用；對於中微子來說，宇宙中的一切就像是一層幻象，可以被輕易穿透；當然，盡管不帶電荷，它們的傳播方向也會受到宇宙時空中分布的引力透鏡而發生偏轉。就實驗探測而言，要想測量確定中微子的質量，難度極高。

另一方麵，根據現代粒子物理理論之集大成者——粒子物理標準模型的理論預言，中微子的質量應該為零。也就是說，它和光子一樣，沒有所謂的靜止質量。

標準模型理論中的中微子是隻有左手性（left-handed）的粒子和其相應的右手性（right-handed）反粒子。在標準模型理論框架下，這種單一的手性結構使得中微子無法與希格斯粒子場（Higgs field）進行相互作用。然而希格斯粒子場正是賦予各種基本粒子質量的物理機製。

1968年，美國物理學家瑞蒙德·戴維斯（Raymond Davis Jr.）在美國南達科塔州（South Dakota）的霍姆斯塔克（Homestake）實驗室（一個位於地下的廢棄礦井）用氯水來探測來自太陽的電子中微子，實際觀測值約為理論預測值的1/3。在幾十年間，這個問題被稱為“太陽中微子缺失”困惑。對應的，還有所謂的“大氣中微子反常”，指宇宙射線在地球大氣層散射所產生中微子的實際數量也與理論計算不符。

隨後，日本東京大學的物理學家小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)建(jiàn)設(shè)的(de)神(shén)岡(gāng)（Kamiokande）探(tàn)測(cè)器(qì)（該(gāi)項(xiàng)目(mù)原(yuán)本(běn)的(de)目(mù)標(biāo)是(shì)檢(jiǎn)測(cè)質子是否衰變），進一步確認了來自太陽的電子中微子的存在，及其缺失問題，並且於1987年又意外且幸運地觀測到距離相對近的超新星1987A的中微子爆發。

2002年，瑞蒙德·戴維斯和小柴昌俊因在天體物理中開辟中微子探測窗口而共享了當年的諾貝爾物理學獎。後者更是開啟了日本的中微子探測基地——神岡係列，其研究成果誕生了至少兩位諾貝爾獎得主。

那麽，那些丟失(shī)的(de)太(tài)陽(yáng)電(diàn)子(zi)中(zhōng)微(wēi)子去哪裏了呢？在粒子物理中，“味”（flavor）是一個用來區分基本粒子種類的量子屬性。它是一種量子數，用來標識粒子在弱相互作用中的身份。糖心免费视频目前知道，中微子有三種味，也就是說有三種不同類型的中微子，即電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。為了回答太陽電子中微子缺失問題，人們猜測不同來源的各類中微子（太陽、大氣、反應堆、加速器）都會“變味”——也就是它們在傳播中改變身份。這種現象就(jiù)是(shì)所(suǒ)謂(wèi)的(de)中(zhōng)微(wēi)子(zi)振(zhèn)蕩(dàng)，即(jí)三(sān)種(zhǒng)中(zhōng)微(wēi)子(zi)在(zài)傳(chuán)播(bō)過(guò)程(chéng)中(zhōng)相(xiāng)互(hù)轉(zhuǎn)換(huàn)。

根(gēn)據(jù)量(liàng)子(zi)力(lì)學(xué)的(de)基(jī)本(běn)原(yuán)理(lǐ)，如(rú)果(guǒ)一(yī)種(zhǒng)粒(lì)子(zi)能(néng)夠(gòu)發(fā)生(shēng)振(zhèn)蕩(dàng)或(huò)變(biàn)換(huàn)，那(nà)麽(me)它(tā)必(bì)然(rán)具(jù)有(yǒu)非(fēi)零(líng)的(de)靜(jìng)止(zhǐ)質(zhì)量(liàng)。換(huàn)句(jù)話(huà)說(shuō)，中(zhōng)微(wēi)子振蕩現象超出了標準模型物理的適用範疇，這也實實在在地從實驗探測的角度提供了一個發展超越現有標準模型理論的難得契機和重要理論切入點。這種類型的突破口恐怕遠比通過假設存在諸多暗物質粒子來尋找超越標準模型的新物理有意義。

各位可能看過圖4，一般說它是物理學上最長的方程之一——標準模型理論中的拉格朗日量。因為它包含許多項和因子，解釋了標準模型理論中所有可能的相互作用和對稱性。在現有的物理內容裏，囊括了除中微子振蕩外所有的已知實驗現象。

圖4 標準模型理論中的拉格朗日量，出自加州理工州立大學物理學教授托馬斯·古鐵芮茲（Thomas Gutierrez）讀博時期整理的講義，基於諾貝爾獎得主荷蘭理論物理學家韋爾特曼（Martinus J. G. Veltman）教授的理論著作Diagrammatica：The Path to Feynman Diagrams。古鐵芮茲提到他在轉錄過程中可能有一個符號錯誤，鼓勵“運氣好的讀者將其找出來”。實際上，人們使用這個方程時，隻會用到其某種簡短近似的形式。| 圖源：Thomas Gutierrez & Martinus Veltman

2001年，加拿大的天體物理學家阿瑟·麥克唐納（Arthur Bruce McDonald）領導的團隊利用位於地下2.1公裏的薩德伯裏微中子觀測站實驗室（SNOLAB），實測推證了源於太陽的電子中微子確實存在振蕩現象。也就是說，太陽中微子確實具有極小的靜止質量。他因此與梶田隆章（Takaaki Kajita）共同獲得了2015年諾貝爾物理學獎。梶田隆章依靠在神岡中微子探測器同一礦井更深處建造的、規模約為前者25倍的超級神岡（Super-Kamiokande，英文縮寫SK）探測器，於1998年宣布找到了（大氣）中微子振蕩的第一個證據。

圖5 加拿大的位於地下2.1公裏的薩德伯裏微中子觀測站實驗室。|圖源：SNOLAB（Sudbury Neutrino ObservatoryLaboratory）

切倫科夫輻射和日本神岡實驗係列

超級神岡地下實驗借助切倫科夫輻射（Cerenkov radiation）現象來“捕捉”中微子信號。

什麽是切倫科夫輻射呢？物體以超音速運動時，它所產生的聲波還來不及離開物體，因此在波前“堆積”了起來，形成所謂的馬赫錐，這就是音爆。而切倫科夫輻射可以通俗地理解成物體超越聲速時音爆的電磁波版本：當一個帶電粒子速度超越介質中（通常是絕緣體）的光速時，就會產生“光子震波”從而形成切倫科夫光錐。

圖6 經典藍光，是水下核反應堆的特征。|圖源：美國伊利諾伊州的Argonne National Laboratory

圖6是一張非常經典的照片，是美國愛達荷國家實驗室（Idaho National Laboratory）的先進測試核反應堆（Advanced Test Reactor縮寫ATR）的堆芯。畫麵中讀者能看到堆芯在水下發出的明亮藍光，正是由於高能帶電粒子（主要是核裂變產生的高能電子）在水中的運動速度超過光波在水中的相速度，從而產生切倫科夫輻射。

根據狹義相對論，具有靜質量的物體運動速度不可能超過真空中的光速c，但光波在介質中的傳播速度（相速度）是小於c的，例如在水中（水的折射率n≈1.33）光波僅以約0.75c的相速度傳播，故一個粒子是完全可以被加速到超過電介質中的光波相速度，加速粒子的來源可以是核反應或者是高能粒子加速器等。

超級神岡實驗室建設在日本岐阜縣神岡町地下1000米的廢棄礦井中。該探測器裝有5萬噸超純水和11200個直徑50厘米的光電倍增管。中微子本身幾乎不與物質作用，但在極少數情況下，會與水分子中的電子或原子核發生彈性散射。這種碰撞會產生高速帶電粒子（如電子和μ子）。在這裏順便一提，2001年，日本超級神岡探測器的光電倍增管曾發生過大規模爆炸損毀事故，致使實驗進程嚴重受挫。

探測器水箱內壁布滿的上萬個金色光電倍增管，能探測高速帶電粒子在水中產生的切倫科夫輻射，將極其微弱的光子轉化為電信號。通過光到達的時間差和空間分布，計算模型可以反推出粒子的能量、方向，甚至判斷中微子的來源（如太陽、大氣、超新星或高能粒子加速器等，這裏忽略宇宙時空中的引力透鏡效應），並進一步重建出粒子軌跡和能量，從而識別出中微子事件並區分不同類型（即電子型、μ子型等）。

順便一提，南極冰層中的大約1立方公裏的IceCube實驗裝置用機器學習的方法還從其累積十年的數據中分析出了7個來自宇宙時空的高能τ子中微子，相關文章2024年發表在PRL上（Physical Review Letters）。

圖7 日本超級神岡地下中微子探測器實驗裝置。丨圖源： ICRR（Institute of Cosmic Ray Research），東京大學

為了讓中微子產生的微弱切倫科夫光子順利到達光電倍增管，水必須極度純淨。超純水純度遠高於糖心免费视频日常能接觸的蒸餾水，幾乎隻含有水分子。嚴格來說，超純水是中性的，但它極為“渴望”溶解物質。在維護作業時，研究人員會劃著橡皮艇，漂浮在巨大水箱裏，更換或修理水箱壁上的光電倍增管。

圖8 在一個 15 層樓高、上萬多個金色“燈泡”（光電倍增管）環繞的水箱裏劃船作業，場景相當夢(mèng)幻(huàn)浪(làng)漫(màn)。| 圖(tú)源(yuán)： ICRR，東(dōng)京(jīng)大(dà)學(xué)

據(jù)說(shuō)有(yǒu)科(kē)學(xué)家(jiā)在(zài)皮(pí)劃(huà)艇(tǐng)裏(lǐ)工(gōng)作(zuò)時(shí)不(bù)慎讓頭發沾到超純水，雖然沾到超純水的頭發隻有約3厘米，但幾個小時後此人經曆了人生中最難熬的頭皮瘙癢。此外在2000 年大檢修時，工作人員把水箱排空，結果在底部發現了一把“扳手的遺骸”，原來是1995年建設時有人掉落的，經過多年浸泡，金屬已經被超純水溶解得模糊不清。

如今，日本又在建造曆史上最大的水-切倫科夫探測器——超級神岡的再一次大規模升級版，英語稱為Hyper-Kamiokande。東京大學已正式完成它的大型地下洞窟的挖掘工作。挖掘出的穹頂部分寬69米、高21米，圓柱部分高達73米，是岩床中罕見(jiàn)的(de)特(tè)大(dà)型(xíng)空(kōng)間(jiān)。相(xiāng)關的(de)關鍵實(shí)驗(yàn)儀(yí)器也送到位於瑞士和法國交界處的歐洲核子研究組織（CERN）進行精準的標定測試。

圖9 Hyper-Kamiokande所(suǒ)需(xū)的(de)龐(páng)大(dà)空(kōng)間(jiān)。| 圖(tú)源(yuán)：ICRR, The University of Tokyo

Hyper-Kamiokande用於探測中微子的物理性質，再進一步尋找質子是否有衰變跡象，以此來嚴格檢驗粒子物理中的大統一理論（GUT）的關鍵預言。

Hyper-Kamiokande實驗與我國的江門地下中微子實驗存在良性競爭關係，雙方都計劃測量中微子的質量順序。但糖心免费视频已經先建好了，有望率先獲得實驗結果。

什麽是中微子的質量順序？

一個殘酷的事實是，糖心免费视频無法通過觀察中微子如何在三種中微子之間的振蕩變換來測量中微子的質量，這就造成了很多困難。特別是，糖心免费视频仍然不確定在三種中微子中到底是較輕的中微子和一個（相對較）重的中微子，還是兩個（相對較）重的中微子和一個較輕的中微子。 從目前掌握的數據來看，第一種情況似乎更有可能發生，因此被稱為“正常層次結構”；第二種情況被稱為“倒置層次”。這就是所謂的質量順序。

江門實驗可以幫助糖心免费视频找出正確的層次結構，同時(shí)有(yǒu)望(wàng)解(jiě)決(jué)其(qí)多(duō)個(gè)問(wèn)題(tí)。 比(bǐ)如(rú)說(shuō)，確(què)定(dìng)龐(páng)蒂(dì)科(kē)夫(fu)-牧(mù)-中(zhōng)川(chuān)-阪(bǎn)田(tián)矩(ju)陣(zhèn)（
Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Matrix，PMNS）矩陣的參數。

PMNS矩陣是粒子物理學中描述中微子振蕩現象的3×3幺正矩陣，它刻畫了三種“味”與質量的混合關係。因為中微子會“變味”，所以每種味態中微子實際上是不同質量態中微子的疊加。而矩陣裏的參數就可以量化其混合程度。

在此之前，物理學家已經確認了兩種中微子振蕩參數：

太陽中微子振蕩（θ₁₂主導）——解釋了“太陽中微子之謎”，即探測到的太陽中微子數量比理論預測少。

大氣中微子振蕩（θ₂₃主導）——解釋了“大氣中微子之謎”，即來自不同方向的大氣中微子比例異常。

而“中微子的第(dì)三(sān)種振蕩”，也就是涉及θ₁₃混合角的振蕩模式，一直沒有實驗結果。長期以來，很多理論甚至懷疑θ₁₃可能為零，亦即這種振蕩根本不存在。

直到2012年3月，現在已經光榮退役的大亞灣核反應堆中微子實驗在激烈的國際競爭中脫穎而出，率先證實存在第三種中微子振蕩模式，並精確測量了θ₁₃混合角的數值。振蕩幾率約為9.2% ± 1.7%，遠高於許多理論家的預期。中國中微子實驗研究團隊在國際高能物理舞台上取得了裏程(chéng)碑(bēi)式(shì)成(chéng)果(guǒ)，該(gāi)成(chéng)果(guǒ)入(rù)選(xuǎn)Science雜(zá)誌(zhì)2012年(nián)度(dù)十(shí)大(dà)科(kē)學(xué)突(tū)破(pò)。

JUNO將(jiāng)探(tàn)索(suǒ)哪(nǎ)些(xiē)問(wèn)題(tí)？

至(zhì)此(cǐ)，三(sān)種(zhǒng)不(bù)同(tóng)類(lèi)型(xíng)的中微子振蕩參數找齊，完成了中微子振蕩整體圖像的“拚圖”。這為下一步研究中微子質量順序、CP破壞（可能解釋物質-反物質的不對稱性）奠定了必要條件（將接力棒傳給JUNO實驗）。

同時，正是因為中微子振蕩行為，糖心免费视频無法確定每一種中微子的確切質量，隻能借助測量它們質量平方的差！這也是JUNO的主要任務之一。糖心免费视频目前僅大致知道中微子的質量上限：質子比電子質量大近2000倍，而中微子的質量不到單個電子的1/500000。

其實關於中微子的質量，還有許多值得一說的內容。比如說，2011年和2013年，都有實驗測得中微子的質量是一個虛數（數學裏的虛數），這就意味著中微子的速度會超越光速，也就是傳說中的快子。但前者是一個尷尬的烏龍（事後團隊聲稱電纜線鬆了導致數據異常），後者經過若幹年的縝密分析，也找到了其錯誤所在。

2024年，又有人提出中微子的質量可以是負數的理論。前文說過，糖心免费视频隻能測量中微子質量的平方差，所以理論上有負數的可能性……

此外，還有很多有趣的問題，如神秘的惰性中微子是否存在，如果存在，它是暗物質的主體嗎？中微子是否是它們自己的反粒子（即馬約拉納粒子）？畢竟中微子是唯一可能具備這種性質的基本費米子。

關於神秘的中微子，希望江門地下中微子實驗能給糖心免费视频更多的回答，窺見新物理的曙光。

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