揭秘“幽灵粒子”：江门中微子实验建成，科研团队捕获“中微子雾”

揭秘“幽灵粒子”：江门中微子实验建成，科研团队捕获“中微子雾”

11月20日，我国重大科技基础设施——江门中微子实验探测器主体建成。这一标志性成就预示着该项目即将进入下一阶段——超纯水与液体闪烁体的灌装，预计于2025年8月正式运行取数。

中微子是构成物质世界的基本粒子之一，也是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子。人类自1956年发现中微子以来，对其的探索与研究从未停止。为深入探索中微子的奥秘，江门中微子实验于2013年立项，2015年正式开工建设。该实验以测量中微子质量顺序为首要科学目标，并同步进行超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、大气中微子、质子衰变等多项重大前沿交叉研究。

中微子是宇宙中的基本粒子之一，它质量极轻，以接近光速移动，且几乎不与宇宙中其他物质相互作用，可以轻松穿墙、穿透地球，所以中微子的捕捉难度相当高，故得“幽灵粒子”之称。

中微子的研究意义重大，可以揭示微观世界的基本规律，加快人类探索宇宙的步伐，甚至让人类文明得到提升。中微子是宇宙中的基本粒子之一，它质量极轻，以接近光速移动，且几乎不与宇宙中其他物质相互作用，可以轻松穿墙、穿透地球，所以中微子的捕捉难度相当高，故得“幽灵粒子”之称。

1930年，奥地利物理学家泡利为了解释β衰变时能量出现亏损，提出一个猜想，认为是一种难以探测的中性粒子带走了能量。后来，意大利物理学家费米进一步发展了泡利的假说，建立了β衰变理论，并正式将这种中性粒子命名为中微子。

现代物理学表明，暗物质像一团“气体”包裹着银河系，以极微小的概率与地球上的粒子相互作用。XENONnT实验用液氙作为粒子“捕手”，期望直接探测到这类稀有事件。当暗物质实验灵敏度达到一定程度时，会探测到太阳内部核聚变产生的中微子通过与原子核发生相干弹性散射（Coherent Elastic neutrino-nucleus scattering, CEvNS）的信号。这种中微子信号与暗物质信号相似，暗物质信号可能会淹没在其中，这种现象也因此被称为“中微子雾”。在一系列太阳中微子中，最先能测到的中微子来自硼-8同位素反β衰变反应，通常被称为硼-8中微子。硼-8中微子是实验物理学家的“老朋友”，在历史上多次被测量并带来对中微子物理和太阳物理的新认识，但此前硼-8中微子尚未通过CEvNS过程测量。

今年7月10日，两年一度的国际暗物质大会在意大利举行。会上，清华大学物理系副教授高飞代表XENON合作组发布了一项突破性成果：运行于格兰萨索国家实验室的XENONnT实验利用液氙暗物质探测器直接探测到了太阳“中微子雾”，并测量了太阳硼-8中微子流强和中微子与氙原子核相干弹性散射截面。值得指出的是，中国锦屏地下实验室运行的PandaX-4T实验也在同一会议上发布了对这一信号的测量结果。11月7日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）同期发表两个暗物质实验独立测量到“中微子雾”的文章。

江门中微子实验的核心探测设备是一个位于地下700米的巨型液体闪烁体探测器。该探测器被安置在地下实验大厅内一个深达44米的池子中央。其主体结构为一个直径41.1米的不锈钢网壳，这一坚固的支撑结构能够承载直径35.4米的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体，以及数以万计的光电倍增管、电缆、防磁线圈、隔光板等关键探测器部件。

值得一提的是，江门中微子实验探测器主体采用了世界上最大的单体有机玻璃结构，由263块、每块厚度达120毫米的有机玻璃拼接而成。这种“薄如蛋壳”的玻璃球不仅拥有出色的抗拉扯和抗撞击性能，还能在内外不同压强的液体环境中保持稳定，可满足未来30年的使用需求。待所有安装任务完成后，科研人员将在有机玻璃球内注入特制的液体闪烁体，并在放置探测器的池中注入超纯水。

江门中微子实验正日益成为国际科研合作的新典范。该项目已成功吸引了来自17个国家和地区，共计74个研究机构的750名科研人员积极参与。通过经费投入分担、技术共同研发、科研成果共享的方式，江门中微子实验正有力推动全球中微子研究领域的共同进步与发展。

中微子研究不仅有助于揭示宇宙的基本规律，还可能带来重大的技术突破。例如，中微子在核反应堆监测中有初步应用，还可用于地质探测，研究地球内部结构，监测地震和火山活动。未来，随着研究的深入，中微子通信技术有望实现深海、地下和星际通信，为人类探索宇宙提供新的手段。

中微子研究的每一次突破都凝聚着科学家们数十年如一日的坚持与努力。从泡利的猜想，到如今江门中微子实验的建成，人类对中微子的认识正在不断深化。随着更多实验数据的积累和新技术的开发，相信在不久的将来，中微子的神秘面纱将被进一步揭开，为人类带来更加深刻的认识和惊喜。