59天數(shù)據(jù)，逼近中微子質(zhì)量排序之謎

中微子是宇宙中數(shù)量最多的物質(zhì)粒子，這些微小的、電中性亞原子粒子幾乎不與任何其他物質(zhì)發(fā)生相互作用，它們也因此常被稱為“幽靈粒子”。正因如此，研究它們的性質(zhì)一直都極具挑戰(zhàn)性。

在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，江門中微子實驗（JUNO）合作組報告了位于廣東江門的中微子實驗站的第一批實驗結(jié)果。他們基于JUNO探測器于2025年8月完成后所收集的首批59.1天數(shù)據(jù)，首次同時高精度測定了兩個中微子振蕩參數(shù)。

新結(jié)果與此前的實驗一致。但相較于以往所有測量結(jié)果的組合，此次的測量精度提高了1.6倍。

會“變身”的中微子

根據(jù)粒子物理學的標準模型，中微子有三種“味”，分別稱為電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它們在傳播的過程中可以相互轉(zhuǎn)化，這種量子力學現(xiàn)象被稱為中微子振蕩。在中微子振蕩中，中微子被測量為某一種特定類型的概率，會隨著它的能量以及傳播距離而周期性變化。

與此同時，標準模型還預言，中微子應當是沒有質(zhì)量的。然而，事實證明，中微子是具有質(zhì)量的。在實驗中，物理學家會通過中微子振蕩來了解中微子的質(zhì)量。中微子具有三種質(zhì)量態(tài)，但每種質(zhì)量態(tài)并不分別對應某種單獨的味。雖然中微子的質(zhì)量都小到無法直接測量，但通過中微子振蕩，可以確定不同中微子的質(zhì)量平方差。

就中微子的三種質(zhì)量而言，存在兩個彼此獨立的質(zhì)量平方差。質(zhì)量平方差決定了中微子在傳播過程中的振蕩快慢——也就是它在不同味之間來回轉(zhuǎn)換的頻率。數(shù)十年來的實驗數(shù)據(jù)表明，其中一個質(zhì)量平方差大約是另一個的30倍，這意味著這兩種振蕩有著非常不同的頻率。多數(shù)實驗只能測量其中一個質(zhì)量平方差，而JUNO的優(yōu)勢在于，它對兩個質(zhì)量平方差都足夠靈敏。

捕捉微弱的閃光

JUNO的核心探測器，是一個高達約10層樓的球形罐體，內(nèi)部裝滿了約2萬噸被稱為“閃爍體”的液體。當帶電粒子快速穿過其中時，閃爍體會發(fā)出閃光。

JUNO探測的是來自52.5千米之外的核反應堆所產(chǎn)生的反電子中微子。中微子本身不帶電，但當來自核反應堆的反電子中微子撞上液體中的質(zhì)子時，它會轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€正電子。這個正電子會運動大約10厘米，并發(fā)出微弱的光；這些光的總能量能夠揭示原本那個中微子的能量。

在近乎完全黑暗的環(huán)境中，這些微弱閃光會被球體內(nèi)排列著的43183個大小不一的光電倍增管捕捉到。這些探測器相當于JUNO的“眼睛”，其集光效率高于任何能夠購買到的現(xiàn)成產(chǎn)品。研究團隊建造了一座工廠，來專門生產(chǎn)這種光電倍增管。

一名工作人員站在 JUNO球形罐體與光電倍增管陣列之間的夾層空間中。（圖/JUNO Collaboration）

為了確保這些信號確實來自中微子，探測器必須異常潔凈，并且具備良好的屏蔽。中央的罐體浸沒在一池超純水中，這些水用于識別并排除來自外部的無用粒子。探測器位于地下約700米處，上方的巖層可以吸收宇宙粒子，從而為觀測中微子創(chuàng)造一個“靜謐”的環(huán)境。

通過高效率地收集大量光信號，并盡量降低背景噪聲，JUNO能夠在兆電子伏特能區(qū)達到3%的能量分辨率，從而以前所未有的精度測量來自核反應堆的反電子中微子能譜。最終得到的能譜形狀包含了三種振蕩的信息。

“消失”的中微子

當比較到達探測器的反電子中微子數(shù)量與反應堆發(fā)出的反電子中微子數(shù)量時，會發(fā)現(xiàn)一個表觀上的虧損——似乎有一部分反電子中微子“消失”了。事實上，這些中微子并沒有真正消失，而是轉(zhuǎn)變成了反μ子中微子或反τ子中微子，而這兩類反中微子對于JUNO探測器來說是不可見的。

在JUNO探測器與反應堆距離固定的情況下，不同能量的反中微子會表現(xiàn)出不同程度的“消失”。這種消失比例隨能量緩慢起伏，形成類似波浪的變化。這種緩慢起伏的“波”的形態(tài)，由較小的質(zhì)量平方差決定。理論上，在這條振蕩曲線上，還會疊加一些由較大的質(zhì)量平方差決定的細小波紋。

僅憑59.1天的數(shù)據(jù)，JUNO就已經(jīng)觀測到：探測器中看到的電子反中微子數(shù)量明顯減少。也就是說，相比沒有振蕩時本該探測到的數(shù)量，有相當一部分反電子中微子在飛行途中振蕩成了其他類型。基于這些數(shù)據(jù)，JUNO對兩個質(zhì)量平方差中較小的那一個給出了迄今最精確的測量。

與此同時，JUNO的數(shù)據(jù)還顯示出一個令人期待的跡象：由較大質(zhì)量平方差引起的細小波紋，似乎已經(jīng)開始顯現(xiàn)。正是這些小波紋，關(guān)系到JUNO的最終目標——確定中微子的質(zhì)量排序。

中微子的質(zhì)量排序

目前，物理學家并不知曉中微子的確切質(zhì)量，也不知道三種質(zhì)量態(tài)究竟是怎樣排序的。按照“正序”假說，兩個較輕的質(zhì)量態(tài)靠得更近；而在“反序”假說中，靠得更近的是兩個較重的質(zhì)量態(tài)。

弄清中微子的質(zhì)量排序，是理解中微子質(zhì)量來源的關(guān)鍵。它還會影響許多其他研究的解釋，例如：尋找中微子是否就是自身反粒子的實驗、對超新星中微子的理解，以及對宇宙學模型的約束。

據(jù)估計，JUNO 大約需要收集六年的數(shù)據(jù)，才能區(qū)分兩種可能的質(zhì)量排序。不過，對較大質(zhì)量平方差的測量，有望更早達到低于1%的精度。

理解中微子的行為，對于建立一套完整描述微觀尺度下物質(zhì)與基本作用力的理論至關(guān)重要。JUNO 的首批結(jié)果，標志著精密中微子振蕩測量進入了一個新時代，也有望讓我們進一步認識這些神秘基本粒子的性質(zhì)。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01585-7

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10538-z

https://www.science.org/content/article/first-results-put-neutrino-experiment-china-track-breakthrough

#圖片來源：

封面圖&首圖：JUNO Collaboration