科學(xué)家們研究核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子、放射性衰變、粒子加速器、太陽、地球和宇宙。圖源：Fermi National Accelerator Laboratory. Credit: Sandbox Studio/Ana Kova

導(dǎo)讀：

物理學(xué)家們希望在短短幾年內(nèi)弄清中微子質(zhì)量的順序。多項(xiàng)耗資數(shù)百萬美元的大型實(shí)驗(yàn)正在或計(jì)劃進(jìn)行。他們確信這一目標(biāo)能在2030年之前實(shí)現(xiàn)。

想象一下，有人遞給你三顆不同口味的口香糖球。你被告知其中一顆比其它的重，而另一顆較輕。但到底是哪顆呢？如果這幾塊糖幾乎沒有任何重量，有時(shí)還會互換口味，甚至當(dāng)你試圖把它們撿起來時(shí)，它們大多會直接穿過你的手掌，這時(shí)讓你區(qū)分它們將是個(gè)無比艱巨的任務(wù)。

這正是試圖掌控被稱為“中微子”這種幽靈般亞原子粒子的物理學(xué)家們所面臨的真實(shí)困境。當(dāng)前理論認(rèn)為，這些極其微小的粒子有三種類型（或稱“味”），它們充斥著整個(gè)宇宙，卻極少與我們熟悉的普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。盡管這些粒子的數(shù)量驚人，卻異常難研究。

然而，破解中微子究竟有多重以及哪種中微子最重的難題，對粒子物理學(xué)家來說至關(guān)重要。物理學(xué)家們煞費(fèi)苦心建立起描述自然界所有粒子和相互作用力的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，該模型明確指出中微子沒有任何質(zhì)量。但是，觀測結(jié)果卻證實(shí)，中微子實(shí)際上具有極小的質(zhì)量。這是物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)法則中一個(gè)令人頭疼卻又至關(guān)重要的例外，并對其他理論產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。對于任何想要理解宇宙的人來說，解決這個(gè)問題勢在必行。

好消息是，物理學(xué)家們正在取得極好的進(jìn)展，并且極有希望在短短幾年內(nèi)弄清中微子質(zhì)量的順序，他們確信這一目標(biāo)能在2030年之前實(shí)現(xiàn)?！拔艺J(rèn)為無論結(jié)果如何，我們都會找到強(qiáng)有力的證據(jù)，”美國西北大學(xué)的理論物理學(xué)家安德烈·古維亞（André de Gouvêa）說道。

圖中為過去35年間世界各地進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)，使得中微子平均質(zhì)量的最佳估計(jì)值越來越好（圖中顯示了每次測量的誤差）。最新結(jié)果（插圖）顯示不確定性范圍更窄，非常接近于零。最新估計(jì)表明中微子質(zhì)量至少比電子輕50萬倍。

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隱形、無處不在

盡管中微子可能很 “ 害羞 ” ，但它們卻無處不在 ：它們是宇宙中數(shù)量僅次于光子（光粒子）的第二多的物質(zhì)。

“對于宇宙中第二多的物質(zhì)，我們卻知之甚少，這確實(shí)有點(diǎn)奇怪是吧？”哈佛大學(xué)的中微子物理學(xué)家卡洛斯·阿圭列斯（Carlos Argüelles）感嘆道。

中微子可產(chǎn)生于太陽和恒星內(nèi)部的核反應(yīng)、穿過大氣層的宇宙射線，以及其他宇宙和地球上的物理反應(yīng)。核電站和粒子加速器也能產(chǎn)生中微子。據(jù)推測，每秒鐘地球上每平方厘米的面積里有數(shù)百億個(gè)中微子穿過，而我們毫無察覺。

近一個(gè)世紀(jì)以來，中微子一直是個(gè)未解之謎。20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家為了解釋放射性衰變中某些令人困惑的特性，首次構(gòu)想出了這種粒子。直到1956年才首次在實(shí)驗(yàn)上探測到。那時(shí)，科學(xué)家們還認(rèn)定它沒有質(zhì)量。

然而，從20世紀(jì)60年代末到90年代，探測器發(fā)現(xiàn)來自太陽的中微子數(shù)量遠(yuǎn)少于預(yù)期，這甚至讓一些人一度擔(dān)心我們的太陽是不是快要“熄火”了。但事實(shí)證明，這些狡猾的中微子在飛行過程中，在三種類型（“味”）之間自發(fā)切換（或稱“中微子振蕩”），導(dǎo)致許多中微子逃避了探測。根據(jù)愛因斯坦的相對論，這一觀測結(jié)果意味著中微子必然具有一定的質(zhì)量。

“中微子喜歡搗亂。這正是我們覺得它們有趣的原因，”阿圭列斯說，“它們總愛做些本不該做的事?！?/p>

奇妙的是（量子世界常常如此），中微子被認(rèn)為是由三種底層的質(zhì)量態(tài)組成，它們以不同的概率相互混合，最終表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)中所探測到的三種中微子：電子中微子、μ中微子和τ中微子。其中有一種質(zhì)量態(tài)最重，而另一種最輕。

這些質(zhì)量態(tài)的排序有兩種可能性。電子中微子主要由最輕的質(zhì)量態(tài)組成，τ中微子含有更多較重的態(tài)，而μ中微子介于兩者之間，這就是在所謂的正向排序。但情況也可能恰恰相反。在反向排序中，電子中微子由最重的質(zhì)量態(tài)組成，τ中微子則更輕。究竟哪一種排序才是對的？

事實(shí)證明，回答這個(gè)關(guān)于質(zhì)量排序的問題，比精確測量中微子到底有多重更簡單，因?yàn)榇鸢缚梢酝ㄟ^檢查中微子味振蕩的細(xì)節(jié)來找到。即便如此，為了回答這個(gè)“簡單”的問題，仍需要一系列耗資數(shù)百萬美元的大型實(shí)驗(yàn)和數(shù)年的時(shí)間。

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遍布各地的中微子裝置

大多數(shù)中微子探測器的工作原理，是捕捉中微子穿過巨量的液體（比如水）時(shí)，偶爾與其中的粒子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的微弱信號。不同的 “ 味 ” 會產(chǎn)生不同的圖案 ： 例如， 有 的 粒子 會在水中留下一條筆直的軌跡，而 有的 粒子 則會產(chǎn)生如同微型煙花般的軌跡群。

由于這些相互作用非常罕見，且難以被完美捕捉，研究人員需要經(jīng)過長時(shí)間積累海量的數(shù)據(jù)，才能自信地對他們所觀察到的現(xiàn)象及其物理含義得出統(tǒng)計(jì)上可靠的判斷。

其中一些探測器最初設(shè)計(jì)的目的，是監(jiān)測宇宙射線在地球大氣層中相互作用產(chǎn)生的中微子。探測器通過觀察直接從最近的天空進(jìn)入探測器的中微子，與那些（例如在地球另一端產(chǎn)生并）穿透整個(gè)地球的中微子之間的差異，來獲取寶貴的信息。

空氣和地面都充當(dāng)了透鏡，影響到中微子在到達(dá)探測器之前的味振蕩。通過比較這些不同路徑，物理學(xué)家可以了解到大量關(guān)于中微子振蕩的信息，正如前文所述，在不同的質(zhì)量排序下，這種振蕩行為理應(yīng)是不同的。

這類巨型裝置包括世界上最大的中微子探測器 —— 冰立方 （ IceCube ） ，它將光探測器穿在纜繩上，沉入南極冰層深長的鉆孔中 ； 還有日本的超級神岡探測器 （Super-Kamiokande，以及目前正在建設(shè)、預(yù)計(jì)2028年 投入使用 的頂級神岡探測器Hyper-Kamiokande） ，它們使用的是人造水箱 ； 此外還有最近剛投入運(yùn)行的 ORCA 探測器，負(fù)責(zé)捕捉飛過地中海深處的中微子。它們各有優(yōu)缺點(diǎn)、不同的探測能力和不確定性，但基本原理大同小異。

圖中為南極洲的IceCube實(shí)驗(yàn)裝置，它使用埋在冰層下的長串光探測器來探測偶爾與經(jīng)過的中微子相互作用產(chǎn)生的微弱閃光。（圖源：ICECUBE / NSF）

阿圭列斯認(rèn)為，到 2030 年，這 些實(shí)驗(yàn)裝置 將共同收集到足夠的數(shù)據(jù)，以妥善 處理 質(zhì)量排序的問題。

他表示，更好的做法是將這些大氣中微子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與新建成的江門地下中微子實(shí)驗(yàn)觀測站（JUNO）的結(jié)果進(jìn)行對比。JUNO是中國最近建成的一個(gè)項(xiàng)目，已于2025年8月底啟動。

JUNO位于地下深處，由一個(gè)直徑35米的塑料球體組成，內(nèi)部裝有20000噸液體，并密密麻麻地布滿了光探測器。它的特別之處在于，其目標(biāo)是探測附近核能設(shè)施產(chǎn)生的中微子。由于這種中微子來源不同（核能設(shè)施而非宇宙射線），且中微子的飛行路徑也不同（從源頭到探測器僅50多公里），這種設(shè)置產(chǎn)生了一個(gè)與大氣實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)的數(shù)據(jù)集。阿圭列斯認(rèn)為，將兩者進(jìn)行對比，或許能在短短一兩年內(nèi)迅速破解質(zhì)量排序的難題。

圖中是大亞灣地下中微子實(shí)驗(yàn)站（JUNO）在2023年建設(shè)期間的照片。該裝置于2025年8月下旬運(yùn)行，主要監(jiān)測附近核能設(shè)施產(chǎn)生的中微子。人們希望JUNO能夠?yàn)槟男┲形⒆淤|(zhì)量最大、哪些中微子質(zhì)量最小提供新的見解。（圖源：新華社 / Alamy Live News）

古維亞贊同這些是很好的策略，但他補(bǔ)充說，在交叉比對多個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果時(shí)可能會遇到麻煩——如果不走運(yùn)，誤差可能會被成倍放大。他認(rèn)為，最出色、最可靠的結(jié)果將來自深地中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE），這是一個(gè)他正在參與的美國項(xiàng)目。

DUNE將利用伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的粒子加速器產(chǎn)生極其高強(qiáng)度的中微子源，并用它射穿地層，射向1300公里外位于南達(dá)科他州桑福德的一個(gè)巨型探測器。因?yàn)檫@些中微子是專門為這個(gè)實(shí)驗(yàn)定制的，數(shù)量龐大，且研究人員對它們的了解遠(yuǎn)多于那些依賴天然或偶然產(chǎn)生的系統(tǒng)。這給了他們巨大的優(yōu)勢。不過，DUNE要到2031年左右才會啟動。

“以粒子物理學(xué)的時(shí)間尺度來看，這已經(jīng)算是近在眼前了。 ” 古維亞說 道 。

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正向還是反向排序？

迄今為止，結(jié)合 JUNO 的早期結(jié)果 及 大氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，似乎已經(jīng)給出了一些暗示。 “ 數(shù)據(jù) 似乎傾向于 正向排序， ” 阿圭列斯說。對于包括他在內(nèi)的一些物理學(xué)家來說，這稍顯令人沮喪。

理論表明，“正向”排序意味著中微子的總重量較輕，這將使確定其重量的具體數(shù)值變得更加困難（因?yàn)閿?shù)值越小，就越難測量）。

這也使得驗(yàn)證其他理論變得更加困難。例如，有一種理論假設(shè)中微子就是它們自身的反粒子。阿圭列斯指出，在正向排序和較低的中微子重量下，確認(rèn)這一理論所需的相互作用發(fā)生的頻率會極低——沒有人能夠使用目前任何已知的實(shí)驗(yàn)來證實(shí)或駁斥這一理論，這意味著答案至少還需要幾十年才能揭曉（或者根本無法確定）。

但目前一切都還沒有定論，阿圭列斯仍希望“反向排序”能夠勝出?！澳菢訒腥?，”他說。

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測定極微小的質(zhì)量

與此同時(shí)，確定中微子絕對質(zhì)量的探索極度艱難。“ 你需要具備極高分辨率的探測器， ” 阿圭列斯說。這項(xiàng)工作 非常難 ，目前只有 一個(gè)裝置 有能力進(jìn)行嘗試 ： 位于德國卡爾斯魯厄的卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn) （ KATRIN ） 裝置 。

圖中為卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)（KATRIN）裝置。該裝置中的部分組件過于龐大，在2006年從制造地運(yùn)往卡爾斯魯厄時(shí)幾乎擠不進(jìn)街道。這是目前唯一能夠測定中微子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)裝置。（圖源：卡爾斯魯厄研究中心）

KATRIN依賴氚元素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這種重的放射性氫同位素在衰變時(shí)，會釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子。研究人員的目標(biāo)是精確測量衰變產(chǎn)生的電子中能量最高的一部分，從而推斷出那些被看不見的反中微子帶走的微乎其微的能量部分。由此，他們就能計(jì)算出質(zhì)量，因?yàn)檎鐞垡蛩固顾f，質(zhì)量等價(jià)于能量。理論認(rèn)為，中微子和反中微子的質(zhì)量是相同的。

這種方法產(chǎn)生了大量的電子，并使用一個(gè)長23米、寬10米、龐大且昂貴的真空管道來過濾掉除最高能電子之外的所有物質(zhì)。這個(gè)裝置非常龐大。阿圭列斯說：“它非常大，而且非常復(fù)雜。所以全世界僅此一臺，建造它花費(fèi)了很長的時(shí)間。”

根據(jù)KATRIN在2019年至2022年間收集的數(shù)據(jù)，研究人員首次嘗試給出了答案：中微子的平均質(zhì)量必須小于0.8 eV（電子伏特eV在此用作質(zhì)量的計(jì)量單位）。幾年后，隨著更多數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，到2025年他們將這一上限幾乎減半至小于0.45 eV。這極其輕——至少比電子輕50萬倍——這是一項(xiàng)巨大的技術(shù)成就。但宇宙學(xué)理論表明，實(shí)際質(zhì)量仍然要低得多——可能小于0.1 eV。

“ 能獲得這個(gè)測量結(jié)果非常令人興奮， ” 卡爾斯魯厄理工學(xué)院參與 KATRIN 實(shí)驗(yàn)的天體粒子物理學(xué)家 馬格努斯 · 施洛瑟 （ Magnus Schl?sser ） 說。 “ 當(dāng)然，如果我們真的徹底解決了中微子質(zhì)量問題，我們會更加激動。 ”

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未來計(jì)劃

如果中微子的質(zhì)量小于 0.3 eV ，那將超出 KATRIN 的測量能力。因此，物理學(xué)家們正計(jì)劃通過其他實(shí)驗(yàn)裝置來提升探測水平。 “該領(lǐng)域 是非常有創(chuàng)新精神的， ” 施洛瑟 說 道 。

其中一個(gè)項(xiàng)目是“PROJECT 8”：它同樣從分裂重氫開始，但它測量的是電子在磁場中螺旋運(yùn)動時(shí)發(fā)出的微波輻射，這應(yīng)該在評估中微子質(zhì)量時(shí)提供更高的精度。不過，該項(xiàng)目仍處于研發(fā)階段，沒人確切知道它何時(shí)能建成。

其他被提議的未來實(shí)驗(yàn)，包括被稱為KATRIN++的下一代項(xiàng)目，則使用改進(jìn)輻射源和測量更多電子等技巧來攻克這些問題。但施洛瑟說，這也需要幾十年的時(shí)間，他希望能在自己退休前的25年內(nèi)得到答案。

通過逐步攻克質(zhì)量和質(zhì)量排序的問題，物理學(xué)家們真正想要弄清楚的是，中微子為什么會有質(zhì)量，以及它們是如何獲得質(zhì)量的。

阿圭列斯說：“我們想知道那個(gè)精確的數(shù)字，以及它之所以是這個(gè)數(shù)字的原因?！敝形⒆诱娴臅x奇地是其本身的反物質(zhì)嗎？它們是否擁有某種以前未知的電荷類型？我們是否徹底遺漏了標(biāo)準(zhǔn)模型中的一批粒子，包括第四種可能的“味”的中微子？

這些問題似乎沒有盡頭，可能的解釋也極其廣泛、光怪陸離。雖然這些知識目前還沒有任何已知的實(shí)際應(yīng)用，但它觸及了我們理解萬事萬物的根基。

“我不知道你是否關(guān)心宇宙的歷史，”古維亞說。“但如果你關(guān)心，那你就必須知道中微子的質(zhì)量。”

來源：賽先生

編輯：LYang

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