中国江门中微子实验正式运行，将破解宇宙”幽灵粒子”质量排序之谜。
2025年8月26日，中国科学界迎来一个历史性时刻——位于广东江门地下700米的江门中微子实验（JUNO）正式投入运行，开始科学取数。这个被称为”幽灵粒子捕手”的大科学装置，历经十余年艰苦建设，终于向宇宙中最神秘的基本粒子敞开了观测窗口。作为国际上首个投入运行的超大规模、超高精度中微子专用实验装置，JUNO不仅将破解粒子物理学领域悬而未决的中微子质量排序难题，更将为人类理解物质本质和宇宙演化提供全新视角。
地下700米的科学奇迹：从构想变为现实
2008年，中国科学院高能物理研究所的一群科学家提出了一个大胆构想：建造一个前所未有的中微子探测器，以破解困扰物理学界数十年的中微子质量之谜。经过五年酝酿，这一构想于2013年获得中国科学院战略性先导科技专项（A类）和广东省人民政府的联合支持，正式立项为江门中微子实验（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，简称JUNO）。2015年，工程团队在江门开平市金鸡镇启动地下实验室建设，在坚硬的花岗岩层中开凿出深达700米的实验大厅，其49.5米的超大跨度创下了国内地下洞室建设纪录。
建设过程充满挑战。项目团队需要应对每小时500吨的地下水涌出，采用280多根35米深的锚索加固花岗岩穹顶，并建立每小时数万立方米的新风系统以控制地下氡浓度。2021年12月，地下实验室竣工后，团队开始了探测器的安装工作。核心部件——直径35.4米、重600吨的有机玻璃球，其壁厚仅12厘米，按比例比鸡蛋壳还要薄，却需要承受2万吨液体闪烁体的巨大压力。2024年12月，探测器主体建设完成，团队用45天灌注6万吨超纯水，再耗时半年将2万吨液体闪烁体精准注入有机玻璃球内，液位差控制在厘米级，流量偏差不超过0.5%。
这一”大国重器”的核心是一个直径41.1米的不锈钢网壳结构，承载着有机玻璃球、2万吨液体闪烁体、2万只20英寸和2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件。这些”黄金瞳”能够探测中微子与液闪反应产生的微弱荧光，其亮度仅为手机屏幕的百亿分之一。值得一提的是，项目团队突破了国外技术封锁，自主研发出性能国际领先的光电倍增管，使单个成本降低一半以上，仅此一项就节省数亿元。
破解世纪难题：中微子质量排序的终极挑战
中微子是自然界最神秘的基本粒子之一，从宇宙大爆炸起就弥散在宇宙中，数量极其庞大却几乎不与任何物质相互作用，每秒钟有数万亿个中微子穿过人体而不被察觉，因此被称为”幽灵粒子”。科学家已知存在三种中微子：电子型、缪子型和陶子型，它们能在飞行中相互转换，这种现象称为”中微子振荡”，证明中微子具有质量。然而，这三种中微子的质量顺序如何排列——即第三种中微子(ν₃)是否比第二种(ν₂)更重，成为粒子物理学未来十年亟待解决的重大问题。
JUNO的科学目标正是要破解这一谜题。装置选址江门绝非偶然——这里距离阳江和台山核电站群约53公里，恰好位于中微子振荡测量的最佳位置。两个核电站的总功率世界领先，能提供足够强的中微子源，而精确的等距离位置避免了振荡信号相互抵消。当地下700米的岩层屏蔽掉绝大多数宇宙射线干扰后，JUNO将以前所未有的3%能量分辨率测量反应堆中微子能谱，其质量顺序测定不受地球物质效应和其他未知振荡参数影响，并将显著提高六个中微子振荡参数中三个参数的精度。
试运行阶段的数据已经令人振奋。监测显示屏上不时出现的红色印记，正是被捕捉到的”幽灵粒子”踪迹。科学家估计，这个巨型探测器每天能捕获约60个中微子事例。JUNO合作组发言人、中国科学院院士王贻芳表示：”首批数据表明探测器关键性能指标全面达到或超越设计预期，我们已经准备好回答关于物质和宇宙本质的基本问题。”
多学科前沿研究的”超级平台”
除解决中微子质量排序这一核心目标外，JUNO还将成为多学科交叉研究的”超级平台”。其30年的设计使用寿命中，科学家将利用它开展对太阳中微子、超新星中微子、地球中微子和大气中微子的前沿研究。当银河系内发生超新星爆发时，JUNO能够捕获到数千个中微子信号，为研究恒星死亡和元素合成提供独特数据。它还将搜寻理论上预测的”惰性中微子”和极难观测的质子衰变现象，这些发现可能颠覆现有的粒子物理标准模型。
更令人期待的是，JUNO后期可升级为世界最灵敏的”无中微子双贝塔衰变”实验。这一升级将直接测量中微子的绝对质量，并验证中微子是否为马约拉纳粒子——如果得到证实，将解释为何宇宙中物质远多于反物质这一根本问题，深刻改变人类对宇宙演化的认知。王贻芳院士指出：”这类研究处于粒子物理、天体物理和宇宙学的前沿交叉点，可能带来颠覆性的科学突破。”
国际合作的典范与科技自立的标杆
JUNO是中国科学院高能物理研究所主导的重大国际合作项目，凝聚了全球科学家的智慧与心血。合作组由来自17个国家和地区、74个科研机构的近700名研究人员组成。意大利米兰大学的乔阿基诺·拉努奇教授作为副发言人表示：”JUNO的建设成就是国际合作的典范，我们共同推动了液体闪烁体探测技术达到极限边界。”在探测器研制过程中，中外数百名工程师通力协作，将最初的大胆设计变为功能齐全的科学装置。
与此同时，JUNO也是中国科技自立自强的生动体现。项目团队攻克了有机玻璃球成型、不锈钢网壳建造、液体闪烁体纯化等系列技术难题，研发的光电倍增管性能超越国际同类产品。这些突破不仅保障了实验目标实现，更带动了相关产业技术进步。例如，探测器使用的不锈钢网壳铆接技术形成了国家标准，填补了国内空白。
从大亚湾中微子实验到JUNO，中国的中微子研究实现了从”跟跑”到”领跑”的跨越。作为我国新一代中微子实验装置，JUNO将推动建立国际领先的科研团队，使中国在粒子物理领域占据前沿位置。正如王贻芳院士所言：”这个装置将为我们打开观察中微子世界的新窗口，它的科学产出可能远超我们目前的想象。”
随着JUNO正式投入运行，人类探索微观世界与宏观宇宙的征程又迈出了关键一步。在未来的科学探索中，这个藏身地下700米的”幽灵粒子捕手”，或将揭示物质最深层的秘密，重塑我们对宇宙的认知。
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