捕捉“幽靈粒子”的中國突破(院士講科普)

　　網(wǎng)友：我關(guān)注到中國科學院高能物理研究所剛發(fā)布的一則消息：江門中微子實驗裝置正式建設(shè)成功，同時發(fā)布首個物理成果。中微子到底是什么？探索中微子很重要嗎？

　　編輯：江門中微子實驗(JUNO)是我國新一代中微子實驗裝置，是探索“幽靈粒子”——中微子的關(guān)鍵設(shè)施，有助于解釋宇宙演化的奧秘。本期“院士講科普”，我們邀請中國科學院院士、江門中微子實驗項目經(jīng)理王貽芳，為我們揭示這項大國重器背后的科學密碼。

　　11月19日，中國科學院高能物理研究所副所長、江門中微子實驗合作組物理分析負責人溫良劍報告了江門中微子實驗的首個物理成果。通過對59天有效數(shù)據(jù)的分析，江門中微子實驗合作組測量了被稱為“太陽中微子振蕩參數(shù)”的混合角θ12及其相關(guān)的質(zhì)量參數(shù)，比此前實驗的最高精度提高了1.5到1.8倍。

　　據(jù)介紹，這兩個振蕩參數(shù)最初是通過太陽中微子所測定，但也可以通過反應堆中微子精確測定。此前這兩種方法對質(zhì)量平方差的測量結(jié)果有大約1.5倍標準偏差的不一致，被稱為“太陽中微子偏差”，暗示著可能有超出人們認知的新物理。此次江門中微子實驗通過反應堆中微子證實了這個偏差。

　　“幽靈粒子”：藏著宇宙起源的關(guān)鍵答案

　　對大多數(shù)人來說，中微子很陌生，但在構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子中，中微子就占了1/4，在宇宙中廣泛存在。由于中微子幾乎不跟任何物質(zhì)發(fā)生作用，不容易被捕捉到，因此成為迄今為止人類了解最少的一種基本粒子，也被稱為“幽靈粒子”。

　　可就是這樣“低調(diào)”的粒子，可能隱藏著解開宇宙終極謎題的鑰匙。按照大爆炸理論，宇宙誕生時物質(zhì)和反物質(zhì)應當?shù)攘看嬖?，但在過去近百年時間里，人類一直沒有發(fā)現(xiàn)宇宙中有大量反物質(zhì)存在的跡象。有些科學家甚至認為，反物質(zhì)已經(jīng)消失了。反物質(zhì)到底去哪兒了？這是宇宙起源和演化研究中的一個重大謎團。

　　經(jīng)過多年研究，科學家們發(fā)現(xiàn)，中微子振蕩的電荷共軛—宇稱對稱性破壞(CP破壞)特性，可能有助于解釋為何宇宙中物質(zhì)遠多于反物質(zhì)。而要測量CP破壞的大小，需要先知道中微子質(zhì)量排序。“中微子的質(zhì)量是自然界的基本參數(shù)，影響宇宙的演化進程。知道了質(zhì)量排序，可以為確定中微子質(zhì)量和其他研究鋪路?！蓖踬O芳說。

　　王貽芳介紹，當前對中微子的探索重點在3個方向：中微子的質(zhì)量從何而來、3種中微子的質(zhì)量排序問題、中微子是不是自身的反粒子(“馬約拉納粒子”屬性)。“了解中微子非常重要，對它的認識和研究將有助于揭開宇宙演變的諸多奧秘?！蓖踬O芳說。

　　從大亞灣到江門：中國中微子研究的“精度長征”

　　“江門中微子實驗能夠在短時間內(nèi)完成如此高精度的測量，表明JUNO探測器的性能完全符合設(shè)計預期?！蓖踬O芳表示。

　　江門中微子實驗的成功，并非一蹴而就，而是建立在我國多年積累的基礎(chǔ)上。回溯我國中微子研究的歷程，大亞灣中微子實驗是繞不開的關(guān)鍵節(jié)點。

　　2003年，當時還是中國科學院高能物理研究所一名普通研究員的王貽芳注意到一個重要趨勢：國際科學界都在嘗試通過反應堆中微子測量混合參數(shù)θ13，而這一參數(shù)正是解開后續(xù)中微子謎題的必經(jīng)之路。當時，多個外國團隊已著手籌備相關(guān)實驗。

　　“中國絕不能錯失這次機會，應該積極參與其中。”同年，王貽芳提出實驗方案，利用我國大亞灣核反應堆群產(chǎn)生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩，并和同事們設(shè)計出了實驗裝置。此后，經(jīng)過多方奔走呼吁，2006年，大亞灣中微子實驗項目獲準立項，成為當時我國基礎(chǔ)科學領(lǐng)域最大的國際合作項目。

　　2012年，大亞灣中微子實驗迎來重大突破——僅用55天時間，科研團隊就發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式，并精確測量了混合參數(shù)θ13?！斑@個結(jié)果遠超預期，直接證明后續(xù)深入研究的可行性。”王貽芳回憶道。

　　此后，大亞灣中微子實驗始終保持著θ13測量的世界最高精度，還培養(yǎng)出溫良劍等一批中微子研究人才。到2020年圓滿退役時，實驗裝置不僅完成了所有科學目標，精度也達到了設(shè)計極限。

　　而大亞灣中微子實驗的成果，為江門中微子實驗鋪就了關(guān)鍵基石。值得一提的是，大亞灣中微子實驗裝置退役后，部分器件被江門中微子實驗繼續(xù)使用，成為科研傳承的生動注腳——“沒有大亞灣中微子實驗的突破，就沒有今天的江門中微子實驗?！蓖踬O芳說。

　　江門中微子實驗：探索“宇宙密碼”的超級利器

　　作為新一代中微子實驗裝置，江門中微子實驗從設(shè)計到建設(shè)，都承載著攻克中微子核心謎題的使命。其主要目標就是確定中微子的質(zhì)量排序——在王貽芳看來，這是解開后續(xù)系列謎題的“鑰匙”：“只有先明確質(zhì)量排序，才能進一步測量CP破壞；如果排序是‘反序’，確認中微子是否為‘馬約拉納粒子’的進程還會大大加快。”

　　此次發(fā)布的首個物理成果，已展現(xiàn)出江門中微子實驗的強大實力?！斑@只是開始，裝置的潛力還遠未完全釋放。”王貽芳說。

　　從技術(shù)層面看，江門中微子實驗的先進性堪稱世界一流。實驗裝置建在廣東省江門市打石山地下700米處，核心是一個直徑35.4米的有機玻璃球，內(nèi)部裝有2萬噸液體閃爍體——規(guī)模比國際同類設(shè)備大20倍，分辨率則高1倍。王貽芳介紹，裝置的研發(fā)攻克了三大技術(shù)難題：用鋼網(wǎng)架支撐有機玻璃球，克服了液體閃爍體與水密度差帶來的巨大浮力；液體閃爍體純度比大亞灣實驗高數(shù)百倍，光衰減長度超過20米；自主研發(fā)的光電倍增管探測效率國際領(lǐng)先，能精準捕捉中微子反應時的微弱閃光。

　　江門中微子實驗裝置的設(shè)計壽命長達30年。在王貽芳看來，未來它的探索范圍將不斷拓展，除了攻克質(zhì)量排序問題，還能深入研究太陽中微子、地球中微子；如果銀河系內(nèi)發(fā)生超新星爆發(fā)，裝置能第一時間捕捉到中微子信號，助力揭開恒星演化的奧秘。

　　江門中微子實驗非常國際化，這一重大國際合作項目有700多名研究人員，來自17個國家和地區(qū)、75個科研機構(gòu)。談及未來，王貽芳充滿信心：“基礎(chǔ)研究的突破需要時間，未來幾十年，以江門中微子實驗的超高精度，它會持續(xù)產(chǎn)出重大成果，并培養(yǎng)新一代物理學家?！?/p>

　　本報記者 吳月輝 肖 遙

　　《人民日報》(2025年11月29日 第 06 版)