編者按：“工欲善其事，必先利其器?！鼻把乜萍嫉奶剿?，離不開(kāi)強(qiáng)大科研設(shè)施的支持。在我國(guó)，就有許多這樣長(zhǎng)期運(yùn)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(guó)之利器。本系列文章將為你揭開(kāi)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(mén)附近700米深處的地下傳來(lái)好消息：經(jīng)過(guò)十多年的精心準(zhǔn)備和建設(shè)，中國(guó)江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）終于成功完成了核心探測(cè)器2萬(wàn)噸的液體閃爍體灌注，正式開(kāi)始運(yùn)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(wèn)題。

那么，究竟什么是中微子，我們又是怎么探測(cè)它的呢？今天，就讓我們走進(jìn)大科學(xué)裝置的第一站——江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)，來(lái)一探究竟吧！

星空下的JUNO 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

01看不見(jiàn)的“幽靈粒子”

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(cè)到，它也有著更多神秘的性質(zhì)。

中微子的發(fā)現(xiàn)，來(lái)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(huì)釋放出電子，然后自己轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)子。但是在這個(gè)過(guò)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(cè)的粒子，“偷走”了一部分能量。這個(gè)“小偷”就是后來(lái)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(gè)反電子中微子  來(lái)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(shuō)它不帶電荷，所以它不會(huì)與物質(zhì)中的電子反應(yīng)，也不會(huì)受到電磁場(chǎng)的影響。

而它的“微”更讓人難以想象。對(duì)于原子核外的電子，你是否已經(jīng)覺(jué)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(wàn)倍。

這樣中性而微小的粒子，可以筆直地穿過(guò)遙遠(yuǎn)的宇宙空間，也可以筆直地穿過(guò)地球、穿過(guò)我們的身體……就在此時(shí)，數(shù)萬(wàn)億個(gè)中微子正在穿過(guò)我們，但它們絲毫不會(huì)被我們察覺(jué)，也不會(huì)對(duì)我們產(chǎn)生危害。

中微子可以輕易地穿過(guò)地球 也不會(huì)受電荷的影響 來(lái)源：超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)官網(wǎng)

那么，中微子又是從哪里來(lái)的呢？它們主要來(lái)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(yáng)，就是一個(gè)這樣巨大的中微子來(lái)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(gè)優(yōu)秀的“信使”，為我們帶來(lái)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(lái)源的中微子與它們的能量分布 來(lái)源：費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(lái)自加速器中的高能粒子碰撞，或者來(lái)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(gè)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(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的裝置，主要捕獲的就是來(lái)自核電站的中微子。為了做到這一點(diǎn)，它的位置可不是隨便選的。

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)選址與兩座核電站在地圖上的位置 來(lái)源：JUNO官網(wǎng)

它距離中微子源——廣東陽(yáng)江和臺(tái)山的兩座核電站都是53公里，對(duì)于這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)：測(cè)量中微子的質(zhì)量順序來(lái)說(shuō)，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(gè)直徑為35.4米的有機(jī)玻璃巨大“水晶球”，安裝在用于屏蔽干擾信號(hào)的水池中央。在這個(gè)球內(nèi)部，填充有有效質(zhì)量2萬(wàn)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(wú)毒無(wú)害的有機(jī)物，也是我們?nèi)沼孟礈靹┑闹饕牧稀?/p>

安裝過(guò)程中的中心探測(cè)器 來(lái)源：JUNO官網(wǎng)

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

為了JUNO實(shí)驗(yàn)裝置的建設(shè)，我國(guó)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(cè)到的電信號(hào)。這就是JUNO裝置探測(cè)中微子的基本方法。

中心探測(cè)器內(nèi)部的有機(jī)玻璃球（左下） 及光電倍增管（右上） 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

這樣精妙的設(shè)計(jì)，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(guó)科學(xué)院高能物理研究所提出構(gòu)想，到2013年獲得國(guó)家和地方政府的大力支持，再到2015年啟動(dòng)地下實(shí)驗(yàn)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(yùn)行期間首批獲取的數(shù)據(jù)顯示，其探測(cè)器關(guān)鍵性能指標(biāo)全面達(dá)到或超越設(shè)計(jì)預(yù)期，它的能量分辨率也達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先的水平。

JUNO探測(cè)到的一個(gè)反應(yīng)堆中微子事例 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

03這一次，我們能知道什么？

江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)，是用于解答中微子的“質(zhì)量順序問(wèn)題”，這又是什么意思呢？

這涉及到中微子的另一個(gè)奇特性質(zhì)：中微子振蕩。

用通俗的話說(shuō)，這就像中微子對(duì)外有三種“身份”，而且這三種“身份”在傳播的過(guò)程中還可以互相轉(zhuǎn)換。這本質(zhì)上的原因是，每個(gè)中微子的外在“身份”，都是由三個(gè)“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(lái)源：Syracuse University

這三個(gè)“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?yàn)檫@微小的質(zhì)量差異，在一個(gè)中微子“出發(fā)”之后，它的三個(gè)“內(nèi)在人格”跑起來(lái)的步調(diào)卻不太相同，導(dǎo)致了在不同的時(shí)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(gè)質(zhì)量分別是多少？很可惜，現(xiàn)在還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)?zāi)軠y(cè)定出一個(gè)精確的值?，F(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(lái)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(duì)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(wèn)題”。它正期待著江門(mén)的全新實(shí)驗(yàn)裝置為我們解答。

以上，就是江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的“主線任務(wù)”，不過(guò)，這樣好的探測(cè)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(cè)來(lái)自大氣、太陽(yáng)、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(duì)宇宙學(xué)、天體物理、乃至地球物理都做出貢獻(xiàn)。在這個(gè)探測(cè)器30年的使用壽命結(jié)束之后，它還可以繼續(xù)升級(jí)改造，用于探索中微子領(lǐng)域的其他問(wèn)題。

04結(jié)語(yǔ)

看到這里，你是不是對(duì)江門(mén)的中微子實(shí)驗(yàn)多了一些了解呢？不過(guò)，如果你覺(jué)得自己還是對(duì)中微子十分陌生，其實(shí)也沒(méi)有關(guān)系。因?yàn)椋褪沁@樣一種神秘的粒子，即使是科學(xué)家們，對(duì)它的認(rèn)識(shí)也還有著許許多多的困惑。

不過(guò)，正是因?yàn)樵谒砩线€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(gè)謎團(tuán)的解答，都會(huì)成為打開(kāi)新物理大門(mén)的一把鑰匙。期待未來(lái)，中國(guó)科學(xué)家的成果能夠?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域再添上濃墨重彩的一筆！

作者：張一凡

審核專家：錢(qián)森 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員

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