广东江门中微子研究有望发现新物理

历时9年多，位于中国广东的江门中微子实验探测器主体于2024年11月20日全部建成，计划明年正式运行。消息一出，科技界对之高度关注。那么，让科学家“兴师动众”的中微子是什么神秘物质？为何要将中微子实验探测器的主体建在地下700米？通过它又可以开展哪些科学研究呢？我们请中国科普作家协会会员雷淼来说一说。广东江门中微子研究有望发现新物理！

一桩“失窃案”引出中微子

中微子其实是一种被预言出来的基本粒子，这一设想的开头，是一桩“能量失窃案”。

放射性元素有种现象叫作“β衰变”，即原子核里的中子会衰变为质子，并放出一个电子（也称β粒子）。英国物理学家查德威克在1914年通过实验证实，β粒子具有连续的能谱，也就是说，它的能量不是个确定值，而是从零到某一上限中的各种可能性都有，而它的两个“兄弟”α粒子和γ射线总是乖乖地带出确定的能量。这个现象令科学家大惑不解，既然β粒子不是次次都一样，那么少掉的那些能量跑哪儿去了？

对于这桩“能量失窃案”，奥地利物理学家泡利主张，除了电子之外，β衰变还产生了一个当时科技手段探测不到的极小中性粒子，带着能量偷偷溜走了。1932年，美籍意大利物理学家费米把泡利预言的假想粒子称为“中微子”（Neutrino）。

1956年，美国物理学家莱因斯和柯温在距离美国萨瓦纳河反应堆堆芯11米远的地下12米深处，用400升氯化镉水溶液和4200升液体闪烁体搭建出当时世界最大的中微子探测器，明确检测到来自反应堆的中微子，终于发现了这个“能量窃贼”。

如今，在地球上指甲盖大小的面积，每秒就有600亿个太阳中微子浩浩荡荡地通过。由于质量极小的中微子表现不出什么引力，而弱相互作用的作用距离又极短，因此中微子在穿过一般物质时基本不会受到阻碍。打个比方，穿过地球这么厚的物质，100亿个中微子可能只会被截住一个。

要抓住它，就要用到中微子探测设备。这种设备通常是个大容器，里面装满透明度极高的荧光液体，周边围了一圈光电倍增管。在穿越探测设备的无数中微子里，假如有个幸运儿撞进了荧光液体中的某个原子核，并和质子发生反应，那么这个质子就会变成中子，并释放一个正电子。正电子随即和附近的电子湮灭，化为一对γ光子，然后激发荧光液体发出一次可见光的闪烁，这种闪烁被设置在周围的光电倍增管监测到，科学家就能“看到”中微子了。这种荧光液体叫作“液体闪烁体”，简称“液闪”。

江门中微子研究有望发现新物理

中微子会一边飞行，一边变身为其他类型的中微子，然后还能变回来，这种现象被科学家称作“中微子振荡”。这个过程中，中微子被发现有3种质量本征态：1态、2态、3态。目前，科学家对中微子质量起源的机制还不够了解，只能把这些参数当成独立变量，从实验中测量它们。2012年3月，我国的大亚湾中微子实验从7个国家的8个小组中脱颖而出，率先给出了1态、3态之间的混合参数。

作为下一代中微子研究项目，江门中微子实验站是目前全世界最大的液闪中微子探测器。它深埋在地下700米，上方还有270米高的花岗岩山体充当屏蔽层，能很好地减少宇宙线的干扰。探测器的核心设施是一个直径35.4米的有机玻璃球，内部装有2万吨直链烷基苯液体闪烁体，并被45000根光电倍增管包围着。这个主探测器由直径41.1米的不锈钢网壳支撑，完全浸没在一个44米深的水池中，水池承担着屏蔽宇宙线与测量宇宙线径迹以排除干扰的功能。

江门实验站的首要科学目标是对3种中微子做质量测序，质量差异导致的能级分化在距粒子源50-55公里处才比较显著，因此，江门实验站选址在距离阳江与台山两座核电站各53公里的位置。其所用的液闪非常干净，具有很高的光输出、极好的透明度和极低的放射性本底，光传输衰减长度大于20米，这是目前世界最高水平。中国科学院高能物理研究所的科学家发明了全新构型和电子放大方式的新型光电倍增管，收集效率等关键技术指标国际领先，并拥有完全自主知识产权。

历史上，已有4次诺贝尔物理学奖颁给了中微子方面的研究，其科学价值可见一斑。然而围绕中微子，仍有众多谜团待揭晓，比如涉及其质量大小和起源、质量顺序、是否造成宇宙中物质与反物质的不对称等，这些都是重量级的物理学话题，甚至牵涉到宇宙起源模型问题。而且，中微子研究有潜力发现超出标准模型的新物理，对理解宇宙演化、恒星形成、超新星爆发机制等具有重要意义。除了研究反应堆中微子之外，江门实验站探测器还可以探索地球中微子、太阳中微子、超新星中微子和假说的惰性中微子。预计2030年，江门实验站探测器升级后将能够测量中微子的绝对质量，有望在一系列基础物理领域取得突破性的进展。广东江门中微子研究有望发现新物理。