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(xué)院高能物理研究所剛發(fā)布的一則消息：江門中微子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)(JUNO)是我國新一代中微子實(shí)驗(yàn)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(xué)院院士、江門中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目經(jīng)理王貽芳，為我們揭示這項(xiàng)大國重器背后的科學(xué)密碼。
11月19日，中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、江門中微子實(shí)驗(yàn)合作組物理分析負(fù)責(zé)人溫良劍報告了江門中微子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)知的新物理。此次江門中微子實(shí)驗(yàn)通過反應(yīng)堆中微子證實(shí)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(yīng)當(dāng)?shù)攘看嬖冢谶^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(xué)家甚至認(rèn)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(tuán)。
經(jīng)過多年研究，科學(xué)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(yuǎn)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?！爸形⒆拥馁|(zhì)量是自然界的基本參數(shù)，影響宇宙的演化進(jìn)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(dāng)前對中微子的探索重點(diǎn)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)?！傲私庵形⒆臃浅Ｖ匾?，對它的認(rèn)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(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诙虝r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(jì)預(yù)期。”王貽芳表示。
江門中微子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是繞不開的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
2003年，當(dāng)時還是中國科學(xué)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(xué)界都在嘗試通過反應(yīng)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(dāng)時，多個外國團(tuán)隊(duì)已著手籌備相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
“中國絕不能錯失這次機(jī)會，應(yīng)該積極參與其中?！蓖?，王貽芳提出實(shí)驗(yàn)方案，利用我國大亞灣核反應(yīng)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(jì)出了實(shí)驗(yàn)裝置。此后，經(jīng)過多方奔走呼吁，2006年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獲準(zhǔn)立項(xiàng)，成為當(dāng)時我國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域最大的國際合作項(xiàng)目。
2012年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)迎來重大突破——僅用55天時間，科研團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)超預(yù)期，直接證明后續(xù)深入研究的可行性?！蓖踬O芳回憶道。
此后，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置不僅完成了所有科學(xué)目標(biāo)，精度也達(dá)到了設(shè)計(jì)極限。
而大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的成果，為江門中微子實(shí)驗(yàn)鋪就了關(guān)鍵基石。值得一提的是，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置退役后，部分器件被江門中微子實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的突破，就沒有今天的江門中微子實(shí)驗(yàn)。”王貽芳說。
江門中微子實(shí)驗(yàn)：探索“宇宙密碼”的超級利器
作為新一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置，江門中微子實(shí)驗(yàn)從設(shè)計(jì)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(biāo)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(jìn)一步測量CP破壞；如果排序是‘反序’，確認(rèn)中微子是否為‘馬約拉納粒子’的進(jìn)程還會大大加快?！?/p>
此次發(fā)布的首個物理成果，已展現(xiàn)出江門中微子實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)大實(shí)力?！斑@只是開始，裝置的潛力還遠(yuǎn)未完全釋放?！蓖踬O芳說。
從技術(shù)層面看，江門中微子實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性堪稱世界一流。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)捕捉中微子反應(yīng)時的微弱閃光。
江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)壽命長達(dá)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(shí)驗(yàn)非常國際化，這一重大國際合作項(xiàng)目有700多名研究人員，來自17個國家和地區(qū)、75個科研機(jī)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(shí)驗(yàn)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(xué)家?！?/p>
本報記者 吳月輝 肖 遙
《人民日報》(2025年11月29日 第 06 版)