广东的大国重器,即将逆转经典物理学
作者 朱秋雨
发表于 2025年9月
江门中微子实验中心探测器

在广东江门开平市的一处山坳,一个即将改变世界认知的大科学装置正在地下700米处悄然运作。

8月26日,由中国科学家主导、17个国家的科研人员共同参与,历经10年建设的“地下”球型装置,正式运行取数。科学家的计划,是寻找在空气中看不见、摸不着,可以任意穿越物体且几乎不与物质发生作用的粒子——中微子。

因为过于神秘难料,物理界称它为“幽灵粒子”。有戏言称“,这就是‘阿飘’,也可以直接说是‘鬼’”“一天(科学家)能抓十几个”。

但实验物理学远没有外界想象的轻松。江门中微子试验探测器(JUNO) 定下了一个看似微小,但对物理界而言难度极高的目标——找到中微子的质量排序。8月26日,项目牵头人、首席科学家王贻芳表示:“ 完成JUNO探测器灌注并开始运行取数,是一个历史性的里程碑。这是国际上首次运行这样一个超大规模和超高精度的中微子专用大科学装置,将使我们能够回答关于物质和宇宙本质的基本问题。”

从2013年立项到正式运行的10多年来,这一“大国重器”曾多次面临外界的质疑。倾注极高人力物力成本造就的“世界之最”,能否产生颠覆物理学的结果,或者换来一个“诺贝尔物理学奖”,都是未知数。

而中国科学家的答案是,在科学分析和论证的基础上,最大程度地坚持自己。

这样的态度适用于任何想要做出创新成就的人。“科学如果在开始发现之前,你就承诺说一定能发现什么粒子,那么这个发现一定不会特别重大。”王贻芳说。往前走,与未知性共存,是JUNO代表的科学精神。

微小的与最大的

许多第一次见到JUNO的人,都会为眼前“大国重器”的规模和设计所震撼。这个与外界隔绝的圆球型探测器,直径35.4米,放置于地下700 米处,深44米的水池中央。球型“ 外壳”由4.5万只“黄金眼”组成,远看就像地底伫立着一颗散发黄色光芒的恒星。

“黄金眼”名叫作光电倍增管,可以将光信号转换为电信号,供科学界用软件分析中微子。为了让难以捕捉的中微子尽快“现身”,球型装置内部还灌注了2 万吨液体闪烁体(简称“液闪”),规模是美国同类型中微子实验室的1667倍。总而言之,这个泡在液体里的“球”,是世界最大的中微子探测器,代表了中国在高能物理领域的最高水平。

如此大规模的建设,却是为了寻找一类微小的粒子。这类粒子困扰了物理学界多年,成为许多物理学家的“梦魇”:名叫中微子的粒子无处不在,而人们却很难成功“捕获”它。

每秒,有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体。甚至,人体内因钾-40衰变,每天会产生4亿个中微子。由于中微子实在是太小,很难用各种工具观测到,一度,它被认为是一种没有质量的“逆天”粒子。

1950年代开始,实验物理学家相继运用最大规模的装置,将探测器建设在地下或者核反应堆旁,或者太空上,试图确立微小的中微子的存在。“诺贝尔物理学奖”此后频繁在粒子物理学领域“开花”,至今有4次授予了在中微子领域取得发现的科学家们。

这是国际上首次运行这样一个超大规模和超高精度的中微子专用大科学装置,将使我们能够回答关于物质和宇宙本质的基本问题。”

其中一位获得者,是华裔物理学家丁肇中。他在40岁得诺奖后,又花了21年,领导600多人的团队,验证了物理学的经典模型。那就是,构成物质世界的12种基本的粒子中,中微子占了其中的3种。

王贻芳是丁肇中在1980年代在瑞士日内瓦招的唯一一位中国大陆学生。如今,他成为了江门中微子实验探测器的主导者。上世纪末,他相继在最顶尖的欧洲核子研究中心(CERN)、麻省理工大学、斯坦福大学工作。但在2001年,他选择回国,做当时国内只有极少数人了解的中微子研究。

回国的第二个项目,王贻芳直奔粒子物理学最重大、也是热门的研究—寻找中微子的第三种振荡模式。

“振荡”在物理学形容的是一个美丽又短暂的现象:中微子在运行过程中总是凭空消失一部分,不是它真的消亡了,而是它振荡变成了别的中微子。这也符合经典物理学的“能量守恒定律”。

在这之前,已经有两种振荡模式被其他国家的科学家发现。第一种中微子振荡是1998年日本超级神冈实验中发现的大气中微子振荡;第二种振荡是加拿大SNO实验发现的太阳中微子振荡。王贻芳想要抓紧找到第三种。

本文刊登于《南风窗》2025年19期
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