見微知著：中微子的稱重之旅

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想象一下，有人塞給你三顆不同口味的口香糖。那人神秘地說：“這三顆里有一顆是比其他的更重，一顆是比其他的更輕，但究竟誰是誰呢？” 這任務聽著簡單，做起來簡直要命：首先，這些口香糖輕得幾乎沒有質量；其次，它們有時還會“交換味道”；哦對了，當你嘗試伸手去抓，大多數時候它們居然能輕易穿過你的手心溜走。

這就是物理學家們在試著對付被稱為“幽靈亞原子粒子”的中微子時的尷尬處境。對于這些微小到過分的粒子，理論上通常認為有著三種類型或是“口味”（學術上叫“味”），它們像洪水一樣淹沒了整個宇宙，卻性格孤僻，基本不跟咱們熟悉的普通物質打交道。這種“社恐”屬性使得即便中微子存量極大，想研究它們也難如登天。

然而，能否攻克中微子到底有多重、以及誰最重的問題，關系到了物理學家的“顏面”。 他們嘔心瀝血建立了一套描述所有自然粒子和作用力的“標準模型”，白紙黑字寫著：中微子應該完全沒有質量。結果觀測數據無情打臉：中微子有質量，事實上這是一個非常小的量。這就成了物理學規則里一個讓人惱羞成怒的關鍵例外，暗示著有其他更合理的理論存在。如果你想搞懂宇宙是怎么運轉的，當務之急是把這個“Bug”給修復。

好消息是，物理學家們最近進展神速。他們放話，到2030很有機會把這中微子三兄弟的質量排清楚。西北大學 (Northwestern University) 的理論粒子物理學家安德烈·德·古維亞 (André de Gouvêa) 信心滿滿地表示：“我覺得到時候無論結果如何，我們都能拿到強有力的證據。”

在過去的 35 年里，全世界的科學家們攢下的數據，終于讓我們對中微子的平均質量有了越來越精準的估算（圖中的“工”字形誤差棒展示了每次測量的誤差范圍）。最新的測量結果（內插的小圖）中誤差范圍已經縮得非常窄了，而且這個數值已經無限逼近于零——至少比電子還要輕上 50 萬倍。圖片來源：卡爾斯魯厄氚中微子實驗團隊（譯者注：這幅圖的橫軸表示中微子質量的平方，負數值來源于實驗儀器的誤差）

無處不在的“隱形人”

別看中微子很害羞，它們其實無處不在：除了光子（光的能量單元）之外，中微子就是宇宙中數量排第二的大戶。

哈佛大學的中微子物理學家卡洛斯·阿圭列斯 (Carlos Argüelles) 吐槽道：“這就很尷尬了，對吧？我們居然對宇宙中數量第二多的存在幾乎一無所知。”

中微子的來源五花八門：太陽和其他恒星內部的核聚變、劃破大氣的宇宙射線，以及各種宇宙級或地球級的反應。連咱們自己的核電站和粒子加速器也在源源不斷地生產它們。 據估計，每秒鐘都有幾百億個中微子穿過每一平方厘米的地球表面，但沒有一個人會感受到一絲異樣。（譯者注：沒錯，就在你讀這句話的時候，它們正大搖大擺地穿透地球和你，而你連個噴嚏都不會打，完全感覺不到它們的存在。）

中微子已經困擾了物理學界快100年了。早在上世紀30年代，物理學家為了解釋放射性衰變里一些“不科學”的現象，強行在腦子里“發明”了這種粒子來救場。人類第一次直接探測到它們行蹤的實驗發表于1956年。在那會兒，科學家還以為它們跟光子一樣沒有質量。

但在20世紀60到90年代，科學家們嚇出一身冷汗：探測器抓到的太陽中微子比預想的少得多，搞得一些人甚至開始擔心：“完蛋，我們的太陽是不是要熄火了？” 結果虛驚一場，原來是這幫狡猾的中微子在飛行途中玩起了“變臉”（學術上稱為“中微子振蕩”），它們在三種不同的味道（學術上稱為中微子的“味”）間跳來跳去，導致很多中微子成了探測的漏網之魚。根據愛因斯坦的相對論，前面的觀測結果無不說明，中微子必須有質量，事實正是如此。

“中微子這幫家伙天生就愛不按套路出牌。但正因如此，我們才覺得它們帶勁，”阿圭列斯說，“它們最擅長的事，就是干那些物理定律‘明令禁止’的事。”

在神奇的量子世界里，人們認為中微子其實是由三種隱藏的“質量狀態”按不同比例勾兌出來的。最終呈現出的結果，就是我們觀測到的電子中微子、μ（繆）中微子和τ（陶）中微子。在這三種質量狀態里，肯定有一個是最重的，一個是最輕的。

關于它們的“體重排位賽”，目前有兩種不同的可能。在被稱為“正常”排序（Normal ordering）的情況下， 電子中微子主要是由最輕的那種成分組成的，陶中微子含有最多的大質量狀態，而繆中微子夾在中間。然而實際上還有另一種可能，在“顛倒”排序（Inverted ordering）中，電子中微子反而成了由最重成分組成的那個。到底哪種排位順序是正確的呢？

事實證明，搞清楚“誰比誰重”比準確算出“到底有多重”要容易那么一點點——只要盯著中微子味振蕩的細節就能找著答案。話雖如此，即便是這個所謂的“容易”問題，也得砸進好幾個幾百萬美元的大型實驗，再搭上物理學家們很多年的時間才行。

中微子的“對號入座”

大多數中微子探測器的工作原理都很一致：捕捉路過的中微子偶然與大量液體分子（例如水）中的某一些發生作用時所釋放的閃光。不同“味道”的中微子會產生不同的花紋，比如有的像是在水里劃出一道筆直徑跡的流星，有的則像炸開了一場小型的煙花。

由于中微子和物質作用的概率比你中彩票頭獎還低，而且想完美探測極難，所以研究者們必須得花大量時間積攢“成噸”的數據，直到攢夠了能讓統計學大佬點頭的數量，才敢對他們所看到的現象及其背后暗含的原理給出結論。

有些探測器專門負責“窺視”宇宙射線撞擊大氣層中分子時產生的中微子。這些家伙有個絕招：物理學家會對比那些從頭頂正上方的天空飛進來的中微子，和那些從地球另一端鉆進來、縱貫整個地球內部的中微子。

厚厚的大氣和堅實的地殼就像是一副巨大的透鏡組，會干擾中微子在飛向探測器時振蕩的頻率。通過比較這兩條路經，物理學家就能摸清它們振蕩的規律——并再次寄希望于不同質量排序對應的振蕩表現也會有所不同。

這些頂尖探測裝備包括：世界最大的中微子探測器“冰立方”（IceCube），它把成串的光學探測器順著深長的鉆孔沉入南極萬年冰蓋之下；還有日本的“超級神岡”探測器（Super-Kamiokande以及正在趕進度、計劃 2028 年正式收集數據的“頂級神岡” Hyper-Kamiokande），它們采用巨型人造水槽來守株待兔；甚至還有剛剛正式上崗、專門截獲在地中海中穿行中微子的 ORCA 探測器。雖然這些裝備各有各的優缺點，看家本事和不確定性也大相徑庭，但歸根結底，它們折騰這么大陣仗其實都在干同一件事。

這是南極“冰立方”（IceCube）實驗的示意圖。物理學家們在冰層深處埋下了長長的光學探測器串，專門守株待兔，捕捉那些路過的中微子偶爾撞擊產生的微弱閃光。圖片來源： ICECUBE / 美國國家科學基金會 (NSF

阿圭列斯樂觀地估計，到2030年，這幫實驗集結起來的數據應該夠咱們很好地解決中微子質量排序問題了。[1]

更絕的是，他建議把這些“大氣層實驗”的數據跟中國剛建成的江門地下中微子實驗（JUNO）的實驗結果相對照，后者已經在2025年8月底正式開機了。

JUNO 的主體由在地下深處藏著一個直徑35米的巨型塑料球組成，里面灌滿了2萬噸液體，球面上貼滿了光學探測器。它的特殊使命是盯著附近核電站產生的中微子。由于它的中微子來源（核電站而非宇宙射線）和飛行路程（探測器與核電站間僅約50公里）都與眾不同，正好能跟大氣實驗形成互補。阿圭列斯說，把這兩組數據一碰，這道困擾人類幾十年的“質量排序題”可能在一兩年內就能解決。

江門地下中微子實驗（JUNO）已于 2025 年 8 月底正式“開機”，它就像埋伏在地下深處的哨兵，時刻“監視”著附近核電站產生的中微子。圖中展示的是它 2023 年建設時的壯觀景象，大家對它寄予厚望，期待 JUNO 能為中微子質量排序問題提供全新的線索。 圖片來源： 鄧華 / 新華社 / ALAMY LIVE NEW

這些策略確實不錯，德·古維亞點頭表示認可，但他覺得（譯者注：僅代表受訪者觀點），更穩妥的答案還要看他參與的那個美國計劃——深地中微子實驗（DUNE）。

美國的深地中微子實驗（DUNE） 打算利用伊利諾伊州費米實驗室的粒子加速器人工制造出一股強到離譜的中微子流，然后直接穿透地殼，射向 1300 公里外、位于南達科他州桑福德的一個巨型探測器。既然這幫中微子是人工為實驗定制出來的，數量上自然管夠，而且科學家對它們的情況更加了解。這些特點給他們帶來了巨大的優勢。不過，這臺大戲得等到 2031 年左右才能正式拉開帷幕

“要是按咱們粒子物理學界的時間單位來算，那也就是一眨眼的事兒，”德·古維亞說道。

到底是正序還是倒序？

到目前為止，江門中微子實驗（JUNO）的早期戰報結合大氣實驗的數據，似乎已經在瘋狂暗示其中一種結論了。阿圭列斯說：“數據正在對著‘正常順序’的劇本說悄悄話。”但這對于像阿圭列斯這樣的物理學家來說，反倒是個讓人有點失望的消息。

理論推算顯示，如果真的是“正常順序”，那就意味著中微子的總重量比預想的還要輕。這會使得測定中微子質量絕對值的工作難度倍增——因為數字越小，想把它精確地“秤”出來就越難。

更糟的是，這還會讓其他理論變得很難驗證。比如有個大膽的猜想說，中微子其實就是它自己的反粒子。如果基于正常質量排序和更輕的中微子質量，那我們想親眼見證支撐這個理論的物理現象，發生的概率就會低得令人絕望——阿圭列斯說，將沒有人有能力根據任何已知的實驗手段證實或是否決這個理論，答案可能得再等上幾十年，甚至徹底無法對證。

好在目前懸念還在，阿圭列斯依然在心里默默給“反向排序”加油助威。“那樣才更有趣嘛，”他說道。

給“幽靈”稱重

與此同時，想要死磕中微子的絕對質量簡直是難如登天。“你需要分辨率高到逆天的探測器，”阿圭列斯感慨道。這事兒難到什么程度呢？目前全球只有一臺設備能夠一戰：那就是位于德國卡爾斯魯厄的“卡爾斯魯厄氚中微子實驗”（KATRIN）。

卡爾斯魯厄氚中微子實驗（KATRIN）——這家伙的其中一個部件由于塊頭實在太大，2006 年從制造廠搬往卡爾斯魯厄的“老家”時，幾乎是貼著街道兩旁的墻壁才勉強擠過去的。時至今日，它依然是全球唯一能給中微子稱重的實驗裝置。 圖片來源： 卡爾斯魯厄研究中心

KATRIN 的操作非常硬核：它拿出一瓶“氚”（一種大質量且帶放射性的氫同位素），讓它自然衰變并釋放出一個電子和一個反中微子。實驗人員的目標是測量那些能量最高電子的能量，然后就能推算出到底有多少微乎其微的能量被那個看不見的反中微子給偷偷順走了。有了這個差額，就能算出質量了——畢竟愛因斯坦老人家早就說過，能量和質量其實就是一枚硬幣的正反面。而且根據理論，中微子和它的反物質兄弟質量完全一致。

這套方案會產生海量的電子，為了從這堆亂麻里揪出能量最高的那幾個，科學家造了一個既龐大又昂貴的真空管道：長 23 米，寬 10 米。這玩意兒簡直就是個鋼鐵猛獸。阿圭列斯評價道：“它大得驚人，復雜得離譜，全世界獨此一份，而且簡直要到時間盡頭才能把它搭起來。”

根據 KATRIN 在 2019 年到 2022 年間攢下的數據，研究員們先試著給出了第一個答案：中微子的平均質量必須低于 0.8eV（電子伏特，粒子物理學家喜歡用能量單位來衡量質量）。又過了幾年，在攢了更多數據后的，他們在2025年成功把這個上限砍掉了幾乎一半，降到至 0.45eV 以下。這是一個非常小的質量——比電子還要輕上至少 50 萬倍！雖然這在技術上已經是了不起的成就了，但搞宇宙學理論的那幫人卻在一旁說風涼話：真實的中微子質量恐怕比這還要低得多——可能連 0.1eV 都不到。

“能測出這個結果確實挺讓人激動的，”卡爾斯魯厄理工學院參與該項目的天體粒子物理學家馬格努斯·施萊瑟（Magnus Schl?sser）說，“當然，如果我們真的把中微子到底多重給徹底解決了，那肯定會更加激動。”

未來的項目建議

如果中微子的質量真的低于0.3eV，那就算是 KATRIN 這樣的巨獸也測不了了。所以物理學家們正打算更新玩法，折騰出一些更高端的實驗裝置。施萊瑟表示：“咱們這行，最不缺的就是腦洞。”

其中一個種子選手叫PROJECT 8 [2]：它的開場白也是“劈開重氫”，但它選擇測量電子在磁場里轉圈圈時發出的微波輻射。這種法子對中微子質量的感應靈敏度更高。不過，這個項目目前還處于開發階段，具體啥時候能動工開造，誰心里也沒底。

其他的備選方案還包括一個叫KATRIN++的升級版，打算借助改良粒子源和測量更多電子等法子來強行破局。但施萊瑟坦言，這事兒少說也要折騰個幾十年。他現在的愿望非常樸實：希望在接下來的25年里、也就是在他退休前，能看到一個確切的答案。

物理學家們之所以這么一點點地磨這個質量大小和排序的問題，事實上他們是想搞清楚，中微子這玩意兒到底憑什么有質量，以及它們到底是怎么獲得質量的。

“我們不光想要那個數字，還想要那個數字背后的‘解釋’，”阿圭列斯說。比如奇怪的是，中微子是否就是它們自己的反物質？它們身上是不是帶著某種人類還沒發現的新型“電荷”？或者說，咱們辛辛苦苦建起來的“標準模型”是不是漏掉了一大筐粒子，比如那個傳說中中微子的第四種味？

這些問題沒完沒了，給出的解釋也是一個比一個天馬行空。雖然說搞清楚中微子多重可能沒法對已知的實際應用產生什么貢獻，但這事兒關乎咱們理解萬物的根基。

“我不知道你對宇宙的歷史感不感興趣，”德·古維亞說，“但如果的確感興趣，那你必須得弄清楚中微子的質量是多少。”

參考文獻:

[1]. Argüelles, C. A., Fernández, P., Mart??nez-Soler, I., & Jin, M. (2023). Measuring Oscillations with a Million Atmospheric Neutrinos. Phys. Rev. X, 13(4), 041055. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041055

[2]. Project 8官網：https://www.project8.org/about

作者：Nicola Jones

翻譯：Wonder

審校：姬子隰

fu

li

shi

jian

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編輯：姬子隰

翻譯內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場