捕捉“幽靈粒子”的中國(guó)突破(院士講科普)
網(wǎng)友：我關(guān)注到中國(guó)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(shí)發(fā)布首個(gè)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(guó)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(qǐng)中國(guó)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(guó)重器背后的科學(xué)密碼。
11月19日，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)、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(bào)告了江門中微子實(shí)驗(yàn)的首個(gè)物理成果。通過對(duì)59天有效數(shù)據(jù)的分析，江門中微子實(shí)驗(yàn)合作組測(cè)量了被稱為“太陽(yáng)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(gè)振蕩參數(shù)最初是通過太陽(yáng)中微子所測(cè)定，但也可以通過反應(yīng)堆中微子精確測(cè)定。此前這兩種方法對(duì)質(zhì)量平方差的測(cè)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(yáng)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(gè)偏差。
“幽靈粒子”：藏著宇宙起源的關(guān)鍵答案
對(duì)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(shí)物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)當(dāng)?shù)攘看嬖冢谶^去近百年時(shí)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(gè)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(duì)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(cè)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(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。”王貽芳說。
王貽芳介紹，當(dāng)前對(duì)中微子的探索重點(diǎn)在3個(gè)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(duì)它的認(rèn)識(shí)和研究將有助于揭開宇宙演變的諸多奧秘。”王貽芳說。
從大亞灣到江門：中國(guó)中微子研究的“精度長(zhǎng)征”
“江門中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诙虝r(shí)間內(nèi)完成如此高精度的測(cè)量，表明JUNO探測(cè)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(guó)多年積累的基礎(chǔ)上。回溯我國(guó)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(shí)還是中國(guó)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(gè)重要趨勢(shì)：國(guó)際科學(xué)界都在嘗試通過反應(yīng)堆中微子測(cè)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(shí)，多個(gè)外國(guó)團(tuán)隊(duì)已著手籌備相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
“中國(guó)絕不能錯(cuò)失這次機(jī)會(huì)，應(yīng)該積極參與其中。”同年，王貽芳提出實(shí)驗(yàn)方案，利用我國(guó)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?cè)O(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(shí)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域最大的國(guó)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(shí)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(cè)量了混合參數(shù)θ13。“這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)超預(yù)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(shí)驗(yàn)始終保持著θ13測(cè)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(shí)，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(dòng)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(jí)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(cè)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(huì)大大加快。”
此次發(fā)布的首個(gè)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。“這只是開始，裝置的潛力還遠(yuǎn)未完全釋放。”王貽芳說。
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(gè)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(guó)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(zhǎng)度超過20米；自主研發(fā)的光電倍增管探測(cè)效率國(guó)際領(lǐng)先，能精準(zhǔn)捕捉中微子反應(yīng)時(shí)的微弱閃光。
江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)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(yáng)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(shí)間捕捉到中微子信號(hào)，助力揭開恒星演化的奧秘。
江門中微子實(shí)驗(yàn)非常國(guó)際化，這一重大國(guó)際合作項(xiàng)目有700多名研究人員，來自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)、75個(gè)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(shí)間，未來幾十年，以江門中微子實(shí)驗(yàn)的超高精度，它會(huì)持續(xù)產(chǎn)出重大成果，并培養(yǎng)新一代物理學(xué)家。”
本報(bào)記者 吳月輝 肖 遙
《人民日?qǐng)?bào)》(2025年11月29日 第 06 版)