探秘大科学装置，我们来到了地下700米的江门中微子实验室

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探秘大科学装置，我们来到了地下700米的江门中微子实验室

江门30人获“优秀科技工作者”称号，这些人为何能荣获该称号？

中微子是什么？

谁偷走了核电站的中微子？大亚湾新发现：也许算错了核反应

一、探秘大科学装置，我们来到了地下700米的江门中微子实验室

斜井缆车在幽闭的隧道中行进，15分钟后，新京报记者从地面到达了地下700多米处的井底。没有想象中那么凉爽，这里的岩石温度达到31摄氏度，空气闷热高湿。

换上洁净衣、在风淋室吹淋后，通往实验大厅的大门缓缓开启，随着一座巨型钢架矗立在眼前，大科学装置——江门中微子实验装置露出了宏大精致的外观。未来，它将为基本粒子世界中的“隐士”——中微子测量质量顺序，窥探宇宙的奥妙。

“幽灵粒子”

我们的身体，每秒钟有亿万个中微子穿过，但人们从未感受过它们的“亲密接触”。

中微子是构成物质世界的12种基本粒子之三（电子中微子、缪中微子和陶中微子）。中微子的质量非常轻，小于电子的百万分之一，以接近光速运动。

宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，每立方厘米大约有300个。中微子无处不在，恒星内部的核反应、超新星的爆发、核反应堆的运行，以至于岩石中的放射性物质衰变，都产生大量中微子。

但是，由于中微子与普通物质的相互作用很弱，它们可以轻松穿过人体、建筑甚至整个地球而不被任何物质吸收，不容易被检测到。因此，无所不在的中微子是基本粒子中人类了解最少的一种，被称为“幽灵粒子”。直到1956年，美国科学家才首次从实验中发现中微子。

中微子研究是国际粒子物理研究的热点，是唯一有超出粒子物理标准模型的新现象并取得重大突破的方向，也是粒子物理、天体物理和宇宙学研究的交叉前沿。中微子物理研究领域的几次重大突破都获得了诺贝尔物理学奖。

1998年日本超级神冈实验和2001年加拿大SNO实验证明了中微子振荡现象，即一种中微子能够转换为另一种中微子。这间接证明了中微子具有微小的质量，对粒子物理、天体物理与宇宙学具有重大影响，因而被授予2015年诺贝尔物理学奖。

中微子研究简史。中科院高能物理所供图

大亚湾实验

日本与加拿大的科学家发现已知三种中微子之间的两种相互转化现象（振荡），标志着中微子具有不为零的质量，预示着必定存在超出当前粒子物理标准模型的新物理现象。

原则上，三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。然而，第三种中微子振荡模式一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。

2003年，中国科学院高能物理研究所（中科院高能物理所）的科研人员提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，寻找中微子的第三种振荡模式，并精确测量该振荡的几率。

经过8年的酝酿和建设， 2011年12月，位于深圳市大亚湾核电站北部山地地下的大亚湾中微子实验探测器开始运行取数。大亚湾核反应堆每秒钟产生35万亿亿个中微子，为实验提供了丰富的中微子源。同时这里紧邻高山，可以为地下实验室屏蔽宇宙射线干扰。

开挖地下实验室并不容易，需要解决大量技术难题。大亚湾实验中方负责人是中科院高能物理所所长王贻芳，他举例说，在距核反应堆很近的地方进行爆破，是实验当中遇到的巨大困难。“最终我们克服重重困难，安全完成了邻近核反应堆的约3000次爆破作业，建成了地下实验室。”

2012年3月，大亚湾实验迎来“高光时刻”，大亚湾国际合作组宣布首次探测到中微子的第三种振荡模式，并以前所未有的精度，测得其振荡大小为0.092，误差为0.017，无振荡的可能性仅为千万分之一。这一实验成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破，并获得2016年度国家自然科学一等奖。

完成了科学使命后，我国第一代中微子实验装置——运行了9年的大亚湾核反应堆中微子实验于2020年12月退役。它使我国的中微子研究“从无到有”并跨入国际先进行列。

大亚湾实验的成果，对精确部署未来中微子实验具有重要的指导意义，国际上立刻启动了多个中微子实验。“中微子质量顺序”成了中微子实验研究的下一个重大问题，国际竞争激烈。在我国，“接棒”大亚湾实验的江门中微子实验(JUNO)登场，和正在建设的日本顶级神冈实验、美国的深层地下中微子实验(DUNE)“竞赛”。

撤场前的大亚湾实验大厅。中科院高能物理所供图

地下700米

江门中微子实验位于广东省江门开平市金鸡镇，在地图上连线，这里和阳江核电站、台山核电站可以画出一个“等腰三角形”。核电站发电会产生大量中微子，物理灵敏度分析表明，实验室需距离反应堆50-55公里，实验室的选址，正好和两个核电站皆相距53公里。

“如果只有一个核电站，实验的造价要提高一倍。”王贻芳说。因为在同样距离下，探测到的中微子数正比于反应堆放出的中微子数量以及探测器的靶质量。若反应堆减少，则探测器就要增大，从而提高实验造价。

在地图上，江门中微子实验和阳江核电站、台山核电站构成“等腰三角形”。中科院高能物理所供图

同时，日常环境中存在大量的宇宙射线，它们在探测器中产生的信号将比中微子信号多上亿倍。因此，中微子探测器还需要放在很深的地下，金鸡镇环绕的群山和花岗岩可以起到“屏蔽”宇宙射线的作用。

8月，新京报记者走进江门中微子实验室，在井口乘坐缆车，顺着与水平方向呈23度角的轨道向地下700米驶进，开启了“地壳探险”。据工作人员介绍，缆车本身没有动力，下行时靠重力向下推进，上行时靠钢丝绳牵引。一旦出现钢丝绳断裂等情况导致缆车下行超速，缆车车轮的抱死装置将启动，使缆车停下，确保人员安全。

乘坐缆车顺着斜井前往地下700米的实验大厅。 新京报记者 张璐 摄

悠长深邃的斜井中管道密布，作业的风机在呼呼作响。行至斜井深处，空气变得湿漉漉的，地面上出现了少量顺势而下的水流。“斜井刚开挖到100多米时，就出现地下涌水情况，随着隧道越挖越深，斜井最大涌水量达530立方米/小时。”这与勘查单位此前勘探时发现的最大180立方米/小时的涌水量有较大偏差。

为了避免地下水不断涌出淹没作业面，建设人员采用了“超前探水灌浆”的施工工艺。他们沿着作业面在岩石上打九、十个孔，灌入水泥浆并掺入水玻璃使其加快凝固。水泥浆沿着岩体裂隙，将地下水封堵在30米开外的地方。建设人员开挖掘进25米后，预留5米作为保护层，继续循环打孔注浆。地下水当然也不能完全堵住，以防水压太大把洞压垮。在隧道两侧，每隔几百米留有临时集水井，部分地下水顺着隧道凹槽流入井中，被水泵抽排到地面。1265.16米长的斜井隧道就这样被一点点挖了出来。

地下施工支洞顶拱渗水。中科院高能物理所供图

“地下水的压力非常大，甚至可以将钻机中实心钻杆顶歪，如果固定不牢，钻杆在水压作用下会像箭一样回射出来。”据现场从事基建工作的阎良平介绍，在地质情况如此复杂的情况下使用“超前探水灌浆”的施工工艺，水泥浆配比、注浆量、注浆压力等参数都需要重新摸索改进。经过反复实践并改进配比，他们终于找到了最优方法。

为了通向地下实验大厅，工程还建设了一口竖井，深达564.2米，直径只有5.5米，由于不像斜井一样可以攀爬，工作人员施工时要坐着“铁桶”吊下去、提上来。

“变形金刚塔”与“钢铁铠甲”

缆车到达了井底，这里的岩石温度达到31摄氏度，空气闷热，地面湿滑。步行向下走了几百米，汗流浃背的记者终于来到地下实验大厅的门口。

进入洁净间之前，所有人需要穿上洁净衣、罩住头发、戴上手套和鞋套、经过风淋室吹淋。风淋室的大门向上开启，像置身于科幻电影中一样，一个巨大的钢球和一个通天钢塔直观地矗立在记者眼前。

液压升降平台好似“变形金刚塔”，全程服役于有机玻璃球的安装。中科院高能物理所供图

“我们正处在一个巨大坑洞的坑底，实验大厅高71米，跨度达49.5米，是目前国内跨度最大的地下洞室，内有44米深的水池。”阎良平说，地下大厅没有一根立柱支撑，为了防止塌陷，穹顶和洞室四周布满锚索，锚索深深扎入岩体，像拧紧的螺栓一样对岩石施加预应力，将岩石牢牢固定住。

未来，江门中微子实验的中心探测器——球形液体闪烁体探测器将浸泡在地下实验大厅内44米深的水池中央，它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球，以及2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

颇具美感的巨大“钢球”，就是中心探测器的主支撑结构——不锈钢网壳，它为其内部与之间隔2米的有机玻璃球穿上了“钢铁铠甲”。液压升降平台可谓“变形金刚塔”，它的直径和高度逐层可变，全程服役于有机玻璃球的安装。

从水池顶端俯瞰不锈钢网壳全貌。中科院高能物理所供图

未来，探测器建成后，容纳探测器的水池将“封盖”，探测器将“不见天日”地运行30年。为了抓住难得的机会看看探测器内部结构，记者手脚并用，在仅能容纳一人的狭窄钢梯通道上攀爬起来。实验大厅的空调使这里的温度保持在21摄氏度，但爬上12层楼高的平台后，记者额头已经微微冒汗。

支撑有机玻璃球和各种仪器设备的“钢球”，使用了大约900吨低放射性的不锈钢材料。“相比碳钢，不锈钢比较软，很难得到需要的刚度和精度，价格也昂贵。但钢球要泡在水中30年，所以还是得用不锈钢。”王贻芳说，为了保证实验大厅的洁净度，同时确保不变形，整个钢结构没有一处焊接，科研人员用12万套高强螺栓将不锈钢构件拼接成型。

最大的玻璃球

实验探测器的研制有三个技术挑战，其一就是研制世界上最大的有机玻璃容器。

在大钢球内，有机玻璃球的安装刚刚开始。工程人员揭开覆盖物，晶莹剔透的玻璃板露出光彩。“这是目前已知的最干净、透明的有机玻璃，肉眼就能明显看出它和普通有机玻璃的区别。”王贻芳流露出自豪的神情，他说，为了达到透明度的指标，生产厂家新建了生产线，对各种材料成分进行了改进，生产工具、模具也进行了特殊的处理。

有机玻璃球厚12厘米，但对于直径35.4米的玻璃球来说，12厘米薄如蛋壳。科研人员准备了265块球形有机玻璃板，最大的一块9米长、3米宽，它们将被分层逐一粘接，拼成玻璃球。粘接材料不是普通的胶水，而是有机玻璃本体材料。

从水池顶端俯瞰，黑色的水池内壁十分醒目，工作人员可以在不锈钢网壳内的平台上安装有机玻璃球。 新京报记者 张璐 摄

此前，国际上最大的有机玻璃球直径12米，用于加拿大SNO中微子探测实验，但现场建造的过程中出现过开裂，经过反复修补，折腾了2年才完成。此次江门中微子实验的有机玻璃球直径达35.4米，面积相当于国外的10倍，要求工期却只有10个月。

江门中微子实验项目总工程师马骁妍告诉新京报记者，此前进行设计时，他们邀请了很多国外的评委进行方案评审。“人家觉得不可想象，说只要你们能把这球做出来，用多长时间都行。但我们的实验要跟国际上其他实验竞争，不能慢了。”

尺寸大、精度高，是有机玻璃球研制的最大难点。前期设计上，科研团队集结了国内高校和科研单位力量，不断优化方案。玻璃球设计得厚一些，结构可靠度自然高，但是设计团队还需要考虑成本。

在生产制造环节，一般的厂家也不敢轻易接手。“这么大一个球，哪个厂家都没做过，我们考察了大量厂家，和3个候选厂家一起做了两年的预研工作。一方面考察厂家的生产制造实力，一方面考察他们的科研素养。厂家的科研团队要和我们一起琢磨这个事情，不断摸索优化。”马骁妍说，有机玻璃生产企业以往做的大多是海洋馆项目，就算使用过程中出现一些问题，一般都可以提前观察到并及时进行处理，但探测器未来将在封闭的水池中运行30年，没有机会进行修复，不容有失。为此，科研人员用小的玻璃样块，不同种类的模型，反复试验。

玻璃板在工厂生产时，就要经过板材浇筑、烘弯、加工、聚合、退火、打磨抛光、清洁、贴膜等多道复杂工序，来到现场还要再吊装、拼装、测量、聚合、退火以及拼接缝处的打磨、抛光、清洁、贴膜等。目前玻璃板正从上往下逐层安装，可以最大程度避免落物对有机玻璃造成损坏。光是玻璃球的安装方案，科研团队就讨论了三年，把所有细节和问题想得清清楚楚。

接下来的安装环节仍面临极大挑战，马骁妍很沉稳，“虽然已经做了大量实验，但现场环境毕竟不同，我们要慢慢来、开好头，把各个环节理解透”。

“大仪器设备的生产，我们通常会培育两家以上企业，避免只有一家企业时发生突然加价的情况。”王贻芳说，如何把钱用在刀刃上，是一个大装置负责人时刻要考虑的问题。工程指标、可实施性、科学目标、经费、工期等各方面都要做到平衡。

最透明的液闪

未来在水池中，有机玻璃球内外会先同时注满最纯净的水，灌装过程使其内外压力保持平衡。此后，科研人员会将球内的水用置换的方法换成2万吨液体闪烁体（液闪），液闪将和光电倍增管共同探测中微子被“俘获”时产生的闪烁光。

江门中微子实验探测器示意图。中科院高能物理所供图

世界上最透明的液体闪烁体，是探测器研制的第二个难关。

“液闪的衰减长度大于20米。”江门中微子实验项目液闪纯化子系统负责人蔡啸解释说，光在经过一段距离后会逐渐衰减，当其强度变成原来的1/e（约为0.37）时，这段距离就叫做衰减长度。中微子被“俘获”时产生的闪烁光本身就很弱，如果液闪不够透明，衰减长度比较短，闪烁光将在传输过程中变得更弱，更难被光电倍增管探测到。

他进一步解释说，从光学性能讲，评价液闪透明度的关键指标是衰减长度。同时，从放射性角度讲，液闪中的放射性杂质去除得越干净越好。“我们要求放射性铀的含量是10的负17次方。”

如何将液闪变得更透明？蔡啸带记者来到了液闪纯化大厅，对四套纯化设备进行一一介绍。液体闪烁体最主要的材料是烷基苯，这种透明的油状液体是制作洗涤剂的原材料。通过管道运抵大厅的特制烷基苯，出厂时衰减长度已然高达15米到20米。

先期到达场地的200吨烷基苯在大罐中用氮气密封保存，将通过管道输送至液闪纯化大厅，用于设备调试。新京报记者 张璐 摄

接下来，科研人员要将烷基苯通过填满氧化铝粉末的吸附柱，进行光学纯化。氧化铝的吸附过滤作用强，可以将烷基苯中的光学杂质去除。接下来科研人员对烷基苯进行蒸馏纯化，降低其放射性本底。此后的烷基苯成为“溶剂”，科研人员会将两种粉末状的发光物质倒入其中搅拌，混制配成高浓度的液闪。

液闪纯化大厅中的蒸馏系统，用于蒸馏纯化烷基苯。 新京报记者 张璐 摄

至此，纯化过程仅仅完成了地上的两个步骤，接下来将转入地下。液闪将通过管路输送到地下的纯化装置，经过水萃取、气体剥离等工序，进一步去除液闪中的铀、钍、钾、氡等放射性元素，最终液闪的衰减长度可以达到20米以上。2万吨液闪中，灰尘总量不能超过0.008克。

江门中微子实验的液闪纯净度，比大亚湾实验提高了1000倍以上。蔡啸说，以上种种复杂的纯化工序，在大亚湾中微子实验时都没有使用到。此次科研人员参考了国外纯化实验，查阅了大量文献，进行了5年多的实验，设计并研制了设备，改进了工艺。

“我是学高能物理的，但在研发纯化设备时，我觉得自己成了‘化工人’。”他说道。

最灵敏的“黄金瞳”

钢球内壁，密密麻麻地排满了2万只20英寸光电倍增管。这些椭圆形的“黄金瞳”像探测器的眼睛，将捕捉液体闪烁体发出的闪烁光，将其转变成电信号记录下来，再分析是不是由中微子发出的。

光电倍增管，大的是20英寸光电倍增管，共2万只；小的为3英寸光电倍增管，共2.5万只。中科院高能物理所供图。

“中微子很难和物质发生反应，但它们打到液闪中的发光物质上，会发出极微弱的光。科研人员需要用光电倍增管，将微弱的光信号转换成电子信号后再放大1000万倍。”马骁妍说，光电倍增管之间的间隙仅为3毫米，紧密排列是为了减小死区，从而探测到更多的光子。

探测器研制最难的一道关，就是世界上探测效率最高的光电倍增管。

在江门中微子实验之前，20英寸光电倍增管的生产被日本滨松公司垄断。徐美杭是中科院高能物理所实验物理中心光电倍增管测试与防护系统的骨干。她说：“当时一只管加上后面的防水封装，市场价大概是5万元，滨松公司知道我们正在研制后，给我裸管的报价降到了3.3万元。”

按照一根管子5万元计算的话，光2万只管子就要10亿元，而实验的总投入才20亿元。如果光电倍增管不能做到国产化，国外厂家的要价不可能降下来。“在中科院高能物理所的牵头下，科研团队一边加紧国产化研制，一边向外界传递出‘我们能做出来’的积极信号。”

“核心关键技术设备的自主可控，对实现基础科学研究的目标是极其重要的。我们不仅要做到国产化，还要将指标做到国际领先。”王贻芳说，经过无数次的实验探索和联合攻关，2020年，1.5万只国产光电倍增管全部出厂并通过验收。“光电倍增管在上世纪30年代就被发明了，在过去的七八十年间，它的探测效率基本维持在10%-15%之间。”他说，此次国产光电倍增管探测效率大于30%，相比之下，日本滨松光电倍增管的效率也只达到28.5%。

光电倍增管需要在水里工作，所以必须进行防水封装。防水封装的难点在于，其失败率要求非常苛刻——六年的失败率不能超过0.5%。也就是6年里，200个光电倍增管中只能有1个因漏水而损坏。而此前，国际上其他中微子实验的这一数字通常为5%以上。

“虽然要求前六年的数据，但我们的实验都是按照20年来做的。”徐美杭说，团队制作了200个模型，给它们创造了加速老化的环境，再进行水压试验，计算防水封装的可靠性。

光电倍增管防护还有另一个必须关注的问题——防止在水中产生链式爆炸。由于光电倍增管内部是真空，一旦一个发生爆炸，水下冲击波会导致一连串光电倍增管爆炸，像被点燃的鞭炮一样，被称为“殉爆”。2001年，日本超级神冈实验注水时，就发生过这样的灾难性事故，损失了8000多个光电倍增管。“为了防止殉爆的发生，我们给每个光电倍增管都加装了由有机玻璃和不锈钢组成的防护罩。” 徐美杭说。

记者采访当天，第一批光电倍增管从测试与封装基地运达江门中微子实验室，将被运往700米的地下。“感觉像呵护了多年的孩子要离家独自生活了一样，有点舍不得，但前方的路我们已经铺好了。”她说。

科学目标

所有设备就位后，浸泡着探测器的水池将注满高纯水，以屏蔽中微子之外的其他物质。明年夏天，水池上方将用氮气封住，并盖上“黑盖子”，将光和空气隔绝。江门中微子实验设计寿命是30年，盖子再度开启，要等到30年后。

如果不是近距离感受大科学装置，很难想象这样一个“超级工程”，要处置的繁杂细节如此之多。被问及是否焦虑，江门中微子实验的“总指挥”王贻芳给出了否定的答案。“所有最难的问题已经提前得到解决。”

目前国际上共有三个大型中微子实验。王贻芳说，中国的江门中微子实验、日本顶级神冈实验、美国DUNE实验的科学目标有相似的地方，包括中微子质量测序等，“但我们将比他们早4-5年”。

研究中微子对理解宇宙演化具有很重要的意义。“中微子质量的大小和每个人都有关系，如果其质量为0，宇宙中的密度涨落不会存在，宇宙可能是平静、死寂的，没有星系、银河系、太阳和我们”。

同时，中微子是研究天体和地球内部的探针，将在检验超新星爆发机制、验证地球物理模型、研究太阳物理等方面发挥关键作用。江门中微子实验预计每天能捕获到60个反应堆中微子、4个大气中微子、1个地球中微子以及上千个太阳中微子。

超新星对于宇宙的演化非常重要。据王贻芳介绍，超新星爆发后，其能量的99%以上是由中微子发出的。1987年，日本物理学家小柴昌俊成功观测到10个超新星爆发时的中微子，由此获得了2002年诺贝尔物理学奖。截至目前，人类总共才看到20个超新星爆发中微子。如果类似的近距离有超新星再爆发一次，几秒之内，江门中微子实验就可以看到5000个超新星爆发中微子。

根据理论计算，在银河系中，每100年有2次左右的超新星爆发。但目前，人类已经有400年没有观测到银河系内的超新星爆发。他说，希望江门中微子实验在“有生之年”可以赶上一次。

同时，宇宙中还存在大量超新星遗迹中微子，是以往超新星爆发产生的。“理论上有，但目前没有人看到过。我们希望实验可以首次看到超新星遗迹中微子，这对我们理解超新星爆发的模型、能谱和整个过程非常重要。”

王贻芳称，实验运行的10年内，随着数据量不断积累，将解决中微子质量测序问题，下一步，实验将探索无中微子双β衰变问题。

2023年，江门中微子实验将完成建设，逐步开始取数。届时，世界将为之瞩目，期待着它带来新的发现。

新京报记者 张璐

编辑 陈静 校对 刘军

一、江门30人获“优秀科技工作者”称号，这些人为何能荣获该称号？

5月30日是第六个“全国各地科技工作者日”。当日早上，中共江门市委宣传部、江门市科学技术协会、江门市科学技术局协同举行2022年“全国各地科技工作者日”江门主场对阵主题活动暨“侨都最美科技工作者”公布典礼。30名科技工作者获“江门市2022年度出色科技工作者”头衔，在其中10人与此同时被评选为“江门市2022年侨都最美科技工作者”。

现阶段，江门正大力开展“高新科技推动”工程项目，紧紧围绕提高地区自主创新综合能力，积极主动在广深港、广珠澳自主创新走廓基本建设中勇于担当，全力以赴基本建设国家技术创新城市。

地区发展战略高新科技能量进一步强化。国家大科学装置江门中微子实验室全面展开探测器组装工作中，与香港科技大学共创的大湾区粤港合作科创平台江门双碳实验室加速建立全国各地重点实验室，与中国科学院大学共建智慧安全应急联合实验室，五邑大学深入开展高水平理工科大学基本建设。

自主创新服务平台加速发展趋势。江门国家高新园区排行大幅度跃居，中德（江门）人工智能研究院、省科学院江门产业技术研究院大力发展，取得成功建立重点学科试验室4家、省部级以上创新技术服务平台510家，高新企业达2194家。

地区自主创新条件不断提升。江门基本建设市科技展览馆、中微子科普馆等特点科谱展览馆，积极主动建立国家专利权示范性城市，打造出聚集华侨华人创新创业的国家关键人才理念支撑点城市。科技是未来发展的关键，所以关注科技工作者也是关注未来的发展！

二、中微子是什么？

中微子实际上是构成物质的基本粒子，而且它的穿透力极其强，质量很小，所以人类对于他的了解还不够多。

规范场

物理学研究物质和物质相互作用的一门学问。在古希腊时代，人类其实就已经在思考自然万物，他们当时主要从两个角度出发，第一个角度就是思考构成物质的基本单位是什么？第二个角度则是探测万物的本质规律。实际上，如今的物理学也是从这两个角度来思考万物。

在第一个角度中，先是泰勒斯提出万物的本原是水，后来又有很多人提出不同的想法，其中最有名的当属德谟克利特提出的原子论，他认为万物的本原是原子和虚空。多说一句，德谟克利特是从哲学层面来思考，他提出的“原子”和我们如今的原子是不一样的。

而在第二个角度当中，古代的科学并没有走得太远。关于两个问题的突破一直到了近代。科学家发现了很多粒子，其中一部分被称为基本粒子，比如：夸克，电子，它们不能再被切分。除此之外，它们还发现，物质之间存在着四种相互作用，分别是强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用和引力相互作用。

这些作用是通过一种叫做“场”的物质来实现的，其中强相互作用和弱相互作用力是在原子核层面的相互作用，日常生活中除了引力之外，我们所接触到的作用都是电磁相互作用，这套理论如今我们也叫作 规范场论 。

而在众多的基本粒子当中，就存在着一种很鬼魅的基本粒子，它就是 中微子 。科学家波尔因为它甚至差点放弃了能量守恒定律。那到底是咋回事呢？

中微子

中微子之所以鬼魅，最核心的原因有两点：

我们先说为什么中微子的穿透力很强。正如上文说到的，在自然界中存在着四种相互作用，这四种相互作用当中，强相互作用是最强的，其次是电磁相互作用，再然后是弱相互作用，最后是引力相互作用。

我们平时觉得引力很大，主要是因为地球大。试想一下，如果你拿一块磁铁，其实就可以把曲别针给吸起来，也就是说，一个磁铁的提供的电磁相互作用就比地球提供的引力要大。所以，实际上引力很小很小。

有趣的是，中微子不参与到强相互作用当中，它因为不带电，它也不参与到电磁相互作用当中。它的质量极其小，小到如今我们还测不准它的质量。本来电子的质量就足够小了，而中微子很可能只有电子百万分之一的质量。所以它也几乎不参与引力相互作用。它只有极其低的概率会参与到弱相互作用。要知道，弱相互作用本身就极其微弱。这就使得它的穿透力极其强，科学家发现，中微子在宇宙当中传播1光年，只有50%的概率会和这个路径上的物质发生反应。太阳在燃烧过程中，每次产生3个光子，就会伴随着2个中微子产生。

因此，每时每刻都有许多来自于太阳的中微子来到地球，它们往往都是直接穿过地球，地球在它们目前就好像是小透明一样。我们的身体，每秒钟就有亿万个中微子穿过，而我们却一无所知。

除了穿透力极强，中微子还很“善变”，这也给科学家造成了很大的困扰。科学家发现，仪器探测到的中微子总是理论值的1/3，他们甚至怀疑是不是理论出现了错误。后来，科学家就发现，之所以会这样是因为中微子实际上存在3种，而且中微子在传播过程当中，还会发生相转化。说白了，就是3种中微子之间来回变化，所以我们永远只能测到理论值的1/3。这三种中微子分别叫做电子中微子、μ子中微子，τ子中微子。

由于中微子不参与电磁相互作用，而光子是参与到电磁相互作用的，宇宙早期是混沌一片的，光子由于受到电磁相互作用的束缚，所以没有在宇宙中开始传播，因此通过研究中微子，科学家可以了解到宇宙早期的演化，为此还出现了中微子天文学的细分学科。

为了探测它，科学家只能在地下1000-3000米处设立探测器，许多的大国在这方面都有投入，比如：南极冰面下2.44公里处就有冰立方中微子望远镜。

再比如：在日本，有在地下1000多米处的超级神冈探测器，为了探测中微子，这里储存着5万吨高度纯净的水。

对于中微子的探测，已经产生了多位诺贝尔奖获得者，相信未来对中微子的研究，势必会带来物理学和天文学的革命。

中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。 中微子个头小、不带电，可自由穿过地球，自旋为1/2，质量非常轻（有的小于电子的百万分之一），以接近光速运动，与其他物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。科学界从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。2013年11月23日，科学家首次捕捉高能中微子，被称为宇宙"隐身人"。他们利用埋在南极冰下的粒子探测器，首次捕捉到源自太阳系外的高能中微子。

发现历程

中微子[5] 是一种基本粒子，不带电，质量极小，与其他物质的相互作用十分微弱，在自然界广泛存在。太阳内部核反应产生大量中微子，每秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。

------摘自百度百科

在日本池野山地下1000米的地层深处，有一个相当于15层楼高的神秘建筑，它的官方名称是“超级神冈探测器”

1996年至今，这座盛有5万吨100%超纯水的探测器，已经为日本制造了数个，诺贝尔物理学奖级别的成果。

而它所探测的，就是有着“宇宙幽灵”之称的中微子。

今天的物理学家告诉我们，人类所在的物质世界，是由各种基本粒子构成的，而中微子，也属于基本粒子之一。

不过，中微子有着非常奇特的性质：

那就是虽然它的数量极其之多，是宇宙中数量最为庞大的粒子之一，但由于它属于中性粒子，所以它不参与电磁相互作用。

这就导致，尽管每秒就有10万亿个中微子，正在穿过你的身体，但你却浑然不知，太阳射向地球的中微子，更是只有十万亿分之一，被地球上的物质吸收，剩下的中微子都穿过地球，飞向宇宙深处了。

不过，虽然中微子极难与其他物质发生相互作用，但当它在水中运动时，还是有极小的概率与的氢原子或氧原子发生反应的，且由于光在水中的速度只有真空中的75%，因此接近光速飞行的中微子，在水里的速度比光速还快。

这样一来就像飞机超音速产生音爆一样，中微子在水中也会因为"超光速"，而发出独特的切伦科夫辐射光。

日本之所以要在1000米深处的地下，存储5万吨超纯水，就是为了尽可能避免，除中微子以外，其他宇宙射线的干扰，并确保中微子产生的切伦科夫辐射光能被准确地记录下来。

恒星物理学家的计算表明，太阳每产生三个光子 就会伴随产生两个中微子，但在相当长一段时间内，地球上探测到的太阳中微子数量，只有理论计算的三分之一。

剩下的三分之二去哪了？没有人知道

1987年2月23日，天文学界目睹了一次，发生在16万光年外，大麦哲伦星云中的超新星爆发事件，但这次超新星爆发所生成的中微子数量，并没有和太阳中微子一样，消失三分之二。

于是物理学界猜想，中微子应该有三种，而不是一种，且三种中微子之间还会相互转化。

这种被称为，中微子振荡，的理论预测，在1998年，被日本超级神冈探测器，首次确认存在，这一突破也让负责中微子项目的小柴昌俊，获得了2002年的诺贝尔物理学奖。

从预言存在，到发现，再到确认中微子振荡，物理学界用了将近一个世纪，但有关中微子的其他信息，人类还一无所知，也正因如此，中微子相关研究，现在已经成了物理学的热门之一。

2027年之前，日本超级神冈升级版，顶级神冈探测器将开始收集中微子数据，储水26万吨的顶级神冈，将拥有数倍于超级神冈的探测能力。

而我国的江门中微子实验，最早将于2022年开始收集数据，这个位于地下700多米深处的中微子探测设施，将进一步揭开中微子的神秘面纱，并且还有可能产生，诺贝尔物理学奖级别的科研成果。

在科幻作品里，中微子还是最理想的信息传递手段，因为它几乎不与其他物质发生作用，所以理论上一束携带信息的中微子，可以将信息传递到宇宙任何地方，且不会像电磁波一样发生畸变，丢失信息。

三、谁偷走了核电站的中微子？大亚湾新发现：也许算错了核反应

责任编辑：韩声江

在大亚湾核电站附近几百米的深山里，潜伏着世界上最好的中微子探测器。它本是用来确认中微子的第三种变身模式的，几年前已经完成任务。如今顺手取得另一项引人瞩目的成果——解释核反应堆为何产生那么少的中微子。

近日，大亚湾反应堆中微子实验的论文《大亚湾反应堆中微子流强和能谱的演化》在《物理评论快报》上发表，同时配发法国科学家法罗的文章《弄清反中微子反常》。最神秘的基本粒子中微子，又引起了人们的兴趣。

反应堆产生的中微子为啥不够多？

实验探测到的反应堆中微子数目总比理论模型预期的少，这就是近几年物理学家困惑的“反应堆中微子反常”现象。2011年发现，计算方法与实验结果相差了6%。

中科院高能物理所的曹俊研究员在博客中介绍说：大部分核反应堆使用铀235、铀238、钚239和钚241，中微子来自它们裂变产物的后续衰变，大约带走5%的能量。现在主要采用的模型，是20世纪80年代实验测得几种裂变材料释放的电子能谱后推出的中微子能谱。这种模型不符合实验结果。

之前物理学家倾向于所谓“惰性中微子”假说，即中微子变化成难以探查的形式。而大亚湾实验的新论文则给出了更简单的解释：我们对核燃料产生多少中微子的计算错了。

曹俊说：“反应堆一般以恒定的功率发电。每次裂变时，这4种同位素释放的能量都差不多，但释放的中微子数目和能量则不一样。因此，随着核燃料成分的演化，反应堆释放的中微子数目和能量分布将会发生变化。”

科学家监测了长时间周期内，大亚湾反应堆中4种同位素对能量的贡献比例。曹俊说：“大亚湾实验4年的运行积累了超过200万个中微子事例。利用这些数据，可以比较不同核燃料成分时的中微子数目，从而推算各个同位素的中微子产额。实验发现，核燃料中最主要的成分铀235产生的中微子数目与模型预期不一致，主流模型的预期比实际观测高了8%。而第二重要的成分钚239则与模型预期一致。”

曹俊说：“如果中微子反常是普通中微子振荡到惰性中微子所致，那么不同燃料成分应该具有相同比例的中微子缺失，因为中微子振荡与产生它的是铀还是钚无关。实验数据看上去不符合这项假设。”据此大亚湾实验的新结果认为，反应堆中微子反常很可能是铀235的中微子产额计算不正确，而不是有“惰性中微子”。

中微子的质量怎么就测不出？

虽然“反应堆中微子反常”现象似乎被破解了，但关于中微子仍有很多未解之谜。中微子是隐士，它很少跟别的粒子反应。捕获不易，所知甚少，就连它的质量至今都还没搞清楚。

起初很长一段时间，大家公认的基本粒子标准模型里，中微子是没有质量的。但戴维斯检测到太阳中微子，小柴昌俊发现超新星中微子时，都证明了中微子有质量。标准模型绽开一道裂口。

既然有质量，那么中微子的质量到底是多少？

中微子根据与外界作用方式不同，分3种味道——电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。而中微子的质量和味道不能同时测准。

大亚湾实验测出了中微子的第三种振荡。

振荡的意思是中微子在奔跑时从一种味道变另一种味道，奔驰变宝马，宝马变奥迪，奥迪变奔驰。这意味着如果测“奔驰”中微子的质量，能得到3种不同结果，按照概率随机出现。

曹俊介绍，之前的中微子振荡实验研究只能测出中微子的质量平方差，不能给出绝对质量。现有的直接测量以及宇宙学测量只能说明中微子的质量不足电子质量的百万分之一。这些研究结果还不足以求得中微子的质量。

中微子绝对质量的测量，要通过中微子非振荡物理研究来得出结论。曹俊介绍，这种研究可以通过精确测量衰变的电子能量端点，或者测量无中微子双衰变（假如存在这类衰变的话），或者通过宇宙学测量。这样可以得到中微子质量的另一个关系式，结合上述已知的条件，就能解出3种中微子的质量。不过，无论哪种情况，要算出中微子的质量，都必须先知道中微子的质量顺序。

但目前中微子的质量顺序也还是一个谜，科学家知道中微子的3种质量状态不同，但是却并不知道哪个最重，哪个最轻。而我国正在建设中的江门中微子实验装置（JUNO）的目标就是找到中微子质量顺序的更多证据，希望未来它能帮我们解开中微子质量之谜。

中微子的反粒子就是它自己？

在科学家看来，中微子跟电子是近亲，只是不带电荷，这也让它免受宇宙间各种电荷作用的羁绊。

已知物质与反物质的区别是电荷，比如电子带一个负电荷，其反物质带一个正电荷，两者相撞会湮灭并放光。中微子不带电荷，那么中微子可能会是其自身的反粒子吗？如果中微子并非自己的反粒子，那么物质与反物质的区别就不止是电荷，也许是一种未知的对称性。

“无中微子双β衰变”实验或许可以照亮迷雾。该实验的理论基础是：两个中子同时衰变为质子，会产生两个电子及两个反中微子；如果中微子是其自身反粒子，产生的这两个反中微子就可以发生湮灭，从而只有电子从衰变中产生出来。

一些建设中的实验将搜寻“无中微子双β衰变”，例如加拿大SNO+实验、意大利的CUORE实验、美国位于废物隔离试验厂的EXO-200实验、美国矿井中的MAJORANA实验等。

暗物质候选人“惰性中微子”真存在？

在解释“反应堆中微子反常”现象时，科学家们猜想这种现象与“惰性中微子”有关。什么是惰性中微子？惰性中微子是否存在？

惰性中微子性情孤僻，不参加除引力之外的任何相互作用。天文学家曾经认为，宇宙中有引力效应却看不着的暗物质，或许就是中微子。但实验显示，中微子质量太微不足道了，不到电子质量的百万分之一，怕是担纲不起暗物质的量级。而假设中的惰性中微子足够重，是暗物质的“理想人选”。

超新星爆炸会射出大量中微子，如果惰性中微子存在，它的反作用力能够推动超新星残骸，而天文学家的确观察到了超新星残骸的加速；惰性中微子还可能衰变成X射线光子，有些天文台发现的X射线就暗示存在比电子重100倍的惰性中微子。

但现有证据还远远不足。为此，科学家们还要研究短距离运动的中微子。费米实验室的科学家们将利用3种探测器搜寻惰性中微子，包括短基线中微子探测器、MicroBooNE和ICARUS。意大利也将启动SOX实验搜寻惰性中微子。

（原标题：谁偷走了核电站的中微子 大亚湾新发现：也许我们算错了核反应）

文章转载于澎湃新闻