探測幽靈粒子的地下天眼：江門中微子實驗探測器

廣東江門開平市的打石山，這里距離沿海的陽江核電站和臺山核電站的距離都在53公里左右，正好位于這兩座核電站連線的中垂線上，三地相連呈三角之勢。

在其地下，有一座還不太為大眾所熟知，卻是真正的大國重器，2025年開始運行，以探測一種還不太被人類所了解的神秘粒子，它就是——江門中微子探測器。

這是繼大亞灣中微子實驗裝置之后，由中國主導，自主建設制造，具有眾多自主知識產權和工程技術方案的大型科學裝置。

能穿透1光年厚鉛墻的中微子

我們生活的世界是由各種基本粒子所構成的，除了電子，質子，中子等這些我們深入研究，熟悉的粒子外，除了我們可以探測感知到的這個世界之外，還有些粒子“神出鬼沒”，極難窺見其蹤影，這其中就包括號稱幽靈粒子的中微子。

雖然極難探測，但是細心的物理學家還是可以從一些線索中嗅到它們存在或到訪的可能證據。中微子最初是由物理學家泡利在分析原子核β衰變過程時預言的。在該過程中，中子與質子相互轉化，并放出電子。但它們的能量看起來似乎并不守恒。泡利預測，在這個過程中可能有一種不帶電，質量極小的中性粒子產生，正是它們分走了這部分消失的能量。中微子即意為中性不帶電的微小粒子。

中微子是如此特殊，它們幾乎沒有質量，質量大概只有電子質量的百萬分之一，引力作用小到可以忽略不計，中微子也不帶電荷，幾乎和所有物質都不發生作用（除了β衰變這種弱相互作用）。因此即使每時每刻都有大量的中微子穿過地球，甚至穿過我們的身體，據測算，在地球上每秒鐘都有億萬個中微子穿過你的身體，人類也渾然不覺。即使在它們前面立上一堵一光年厚的鉛墻，卻也只能減緩少量中微子前進的步伐，大部分中微子仍將視若無物般穿墻而過，繼續前行。泡利也因此認為，能檢測到這些微小的中性粒子簡直是一件不可能完成的任務。

如何一步步完成“不可能完成的任務”？

然而，再大的困難也嚇不退人類求知探索的決心。1941年，舊中國還在全面抗戰期間，國土淪陷，民生經濟凋敝。就在如此艱難的環境下，西遷至貴州遵義辦學的浙江大學物理學家王淦昌先生，發表了一篇《關于探測中微子的一個建議》的論文。該論文在國外期刊發表后，美國科學家阿倫依據王淦昌先生提出的K電子俘獲的方法，在1942年完成了著名的“王淦昌-阿倫實驗”。這一實驗不僅是早期中微子探測的重大進展，也是中國人為中微子研究做出的重要貢獻。

1955年，美國物理學家萊因斯和考恩第一次在實驗中探測到中微子。他們的實驗裝置位于美國薩瓦納河核反應堆的旁邊地下12米深處。之所以在地下進行實驗，是為了屏蔽宇宙射線對實驗的干擾，而選擇在核反應堆附近，則是利用核反應堆本身作為巨大的中微子源。實驗裝置是一個容量為400升的容器，大小接近一臺洗衣機，內部裝滿了溶解了氯化鎘的水溶液。容器周圍包裹著閃爍體和光電倍增管，以探測實驗過程中可能釋放的光子。最終，萊因斯和考恩捕獲到了意料之中的光子信號，證實了中微子的存在。

與核反應堆旁邊的中微子相比，自然環境中的中微子信號要弱得多，探測更是難上加難。美國布魯克海文實驗室的雷戴維斯領導的團隊，繼續挑戰這個看起來不可能完成的任務。他的實驗室位于美國南達科他州的霍姆斯塔克金礦地下約1500米深處。選址于此不僅是為了屏蔽宇宙射線，也是為了避開其它人造或者天然輻射源的干擾。整個實驗裝置有一個小型游泳池般大小，里面裝了40萬升的四氯乙烯液體——一種常用于干洗的溶劑。當太陽中微子在撞擊氯原子的過程中，由于弱相互作用，會產生具有放射性的氬-37粒子，通過探測氬-37粒子的數量來反推檢測到的太陽中微子的數量。這個實驗進行了30余年之久，雖然檢測到了太陽中微子，但是檢測到的中微子數量卻只有理論值的三分之一左右。

當然，人類探索的腳步不可能在困難面前停止。日本由小柴昌俊領導的超級神岡中微子探測裝置，位于日本岐阜縣神岡礦山地下1000米深處。這一巨型裝置的主體為一個裝有5萬噸超純水的巨型不銹鋼容器，容量相當于20個標準奧運泳池，約為北京水立方總容積的1.6倍。其探測原理是基于中微子與超純水相互作用時產生的切倫科夫輻射來探測中微子。小柴昌俊也探測到了太陽中微子，在1987年還捕獲到銀河系外超新星爆發所產生的中微子。緊接著，小柴昌俊的學生梶田隆章，利用超級神岡裝置探測到了中微子可以在三種狀態之間相互轉換，即“中微子振蕩”。這一現象解釋了此前戴維斯實驗中太陽中微子數量只有理論值的三分之一的原因。中微子振蕩的發現也證實微小的中微子也具有質量，使得人類對中微子的認識又邁出了關鍵的一步。

中微子是如此的神秘，人類對其了解及其有限，了解中微子的性質對于解答物質反物質不對稱之謎，宇宙暗物質之謎，了解宇宙的起源等問題至關重要。了解中微子有可能幫助我們找到宇宙的密碼，讓我們更深刻的認識理解我們身處的世界。時至今日，在中微子研究領域，已經有八位科學家獲得諾貝爾獎，今后中微子研究也仍將是物理學最熱門的研究領域之一。

從大亞灣中微子實驗到江門中微子實驗

在新時期，以中科院高能物理研究所的王貽芳院士為代表的中國科學家，領導中國科研人員在中微子研究領域不斷探索，王貽芳院士領導了大亞灣中微子實驗的建設使用，在國際上率先測得了第三種的中微子振蕩模式，領導中國科研人員緊追世界前沿科技。

新建成并投入使用的江門中微子實驗探測器具備極高精度的探測能力，它的首要目標是測量三種中微子的質量順序問題。重要科學問題的解決和新的實驗發現，將超越目前我們對基本粒子物理模型的理解，甚至可能重構物理學的基礎，使得物理學界對江門中微子實驗裝置充滿期待。

江門中微子實驗裝置的挑戰不僅在于選址，其建造過程也充滿挑戰。整個實驗裝置猶如一座巨大的宮殿，建在700余米的地下，深度甚至超過了上海中心大廈的高度，建造過程中要克服高溫、高濕、壓力和滲水等各種極端環境狀況。

裝置的核心是直徑35.4米的有機玻璃球，其由263塊面板無縫拼接而成，工藝難度極高。球體內部注入2萬噸液體閃爍體作為探測介質。有機玻璃球外側則是直徑41米的不銹鋼網殼提供支撐保護，網殼內側密密麻麻均勻安置了4.5萬只猶如金黃色瞳孔的光電倍增管，指向有機玻璃球心，用以捕捉到中微子和閃爍體作用后的微弱閃光，其靈敏度可以捕捉到單個光子的瞬間信號，并將其放大億萬倍，轉化為電信號進行分析。最外層是一個巨大的圓柱形水池，其內部注入3.5萬噸超純水，起到屏蔽宇宙射線和本底輻射干擾的作用。

2024年11月，探測器主體建設完成，2025年8月26日，完成2萬噸液體閃爍體灌注，并正式開始運行。經過17年構想，10年建設，江門中微子實驗裝置終于開始運行，就像在地下睜開一只巨眼，觀察宇宙的瞬息變化。

中微子探測始終是高能物理研究的熱點領域。然而，重要的科學研究離不開趁手的“兵器”，尤其是探測“中微子”這樣的幽靈粒子，對測試裝置的技術要求更高。

以往這種大科學裝置通常由美國、日本等科技與經濟實力領先的國家主導建造，比如美國的霍姆斯塔克裝置，日本的超級神岡探測器，以及南極的冰立方中微子探測器等。這些裝置建設難度大、探測精度要求極高，科研人員需要多年的不懈工作才能有所發現。

如今，我國自主建設的江門中微子探測器，從國產光電倍增管的研制，到關鍵部件制造的精度攻關，通過自主創新與國際合作相結合，我國在相關領域的各項技術能力也開始走向世界前列，步入中微子探測的國際第一梯隊，今后將為揭示中微子奧秘、探索宇宙起源與演化，貢獻出中國方案和智慧。

出品：科普中國

作者：周曉亮（北京交通大學）

監制：中國科普博覽