中国实验室开启粒子物理世纪谜题攻坚战

在中国广东地下深处，江门地下中微子观测站 (JUNO) 即将启动一项关键任务，旨在解开粒子物理学中的一个世纪谜题。通过探测来自附近核电站的中微子，JUNO 将精确测量它们的“味”变模式，从而确定三种中微子质量的排列顺序。这个结果不仅将挑战并完善粒子物理学的标准模型，还可能揭示中微子是否是自身的反粒子，甚至为理解暗物质提供线索。

中微子：一个棘手的物理学难题

中微子是宇宙中最神秘、最难捕捉的基本粒子之一。它们几乎不与任何物质发生相互作用，每秒钟都有数万亿个中微子穿过我们的身体。

• 三种“味道”: 中微子有三种类型，或称“味道”——电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。
• 挑战标准模型: 粒子物理学的标准模型是描述已知粒子和力的最成功的理论之一，但它预测中微子应该没有质量。
• “振荡”现象: 科学家发现，中微子在传播过程中会从一种味道转变为另一种，这种现象被称为“振荡”。而振荡的前提是，中微子必须拥有质量。

“中微子物理学是超越标准模型的物理学。”

因此，深入理解中微子的质量是改进基础物理学理论的关键。

JUNO 的核心任务：确定质量顺序

JUNO 的主要目标是确定哪种中微子最重，哪种最轻。这个问题的答案将决定物理学未来的发展方向。中微子的三种质量状态（v1, v2, v3）有两种可能的排列方式：

• 正常顺序 (Normal Ordering): v1 比 v2 轻，而 v3 是最重的。这是目前证据略微倾向的选项。
• 反转顺序 (Inverted Ordering): v3 是最轻的，而 v1 和 v2 更重。

JUNO 通过一个位于地下700米深处的巨大球形探测器来完成这项任务。这个探测器装有20000吨液体闪烁剂，当来自53公里外核电站的中微子撞击液体中的质子时，会产生微弱的闪光，并被数万个光电倍增管捕捉。通过分析这些数据，科学家可以精确计算中微子的振荡率，从而推断出其质量顺序。预计每天能探测到约50个中微子，整个实验需要大约六年时间才能获得统计上显著的结果。

这项发现为何如此重要？

确定中微子的质量顺序，将对理论物理学产生深远影响。

• “反转顺序”的启示: 如果结果是反转顺序，那将是更令人兴奋的结果。它将使科学家能够更容易地检验一个大胆的理论：中微子是否是其自身的反粒子。这将为全新的物理学打开大门，甚至可能将中微子与暗物质之谜联系起来。
• “正常顺序”的挑战: 如果结果是正常顺序，那么验证中微子是否是自身反粒子的过程将变得极其困难，甚至可能超出现有技术的能力范围。

JUNO 的其他科学目标

除了解决质量顺序之谜，JUNO 还能作为强大的探测工具，在其他领域发挥作用。

• 地球科学: 探测来自地球内部的中微子，帮助科学家了解地幔和地壳中放射性元素的分布。
• 天文学: 监测来自超新星爆发的中微子。由于中微子比光更早地逃离爆炸核心，JUNO 可以为天文学家提供预警，让他们能够及时调整望远镜，观测整个爆炸过程。