JUNO：中国的中微子研究领先世界：揭开宇宙的秘密

百名博士谈科学 2024年10月25日 08:38

作者：程明，物理学博士。曾在《自然》和《物理评论通讯》（PRL）等世界顶尖学术杂志上发表过十余篇论文。这些论文被多本教科书引用，包括宾大著名教授Lubensky所著《凝聚态物理原理》。诺贝尔奖获得者Kosterlitz教授在总结拓扑相变30年的文章中引用了程明博士的论文，并认为这是开拓性的工作。程明博士曾在美国硅谷多家高科技公司工作，并著有《留美专家谈电子商务》（广东人民出版社，2000年）和《有机分子的电子晶体学》（Springer，2012，章节作者）。他曾海归在武汉大学和南京大学任教，并担任研究生指导老师。

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△ 来自天外的中微子。来源：Quanta Magazine

中微子的基本概念

中微子（Neutrino）是一种极其微小且难以捉摸的基本粒子。它们几乎不与其他物质发生相互作用，因此极其难以探测。尽管如此，中微子在宇宙中广泛存在，每秒有数十亿个中微子穿过我们的身体而我们却毫无察觉。

中微子的发现与意义

中微子由意大利物理学家埃米里奥·塞格雷于1956年首次通过实验发现。中微子具有以下特点：

极轻的质量：尽管中微子的质量极小，但并非零，这一点在现代物理学研究中具有重要意义。
电中性：中微子不带电，因此不会与电磁场发生相互作用。
穿透力强：中微子能轻松穿透厚实的物质，这使得它们极难探测。

中微子的研究现状

近年来，中微子的研究取得了重要进展，吸引了物理学界的广泛关注。中微子是一种极其稀有且难以捕捉的基本粒子，由于它们几乎不与其他物质发生相互作用，因此极为难以探测。然而，通过一系列精密的实验和观测，科学家们在中微子的性质和行为方面取得了许多重要发现。

中微子振荡现象

中微子振荡现象是指中微子在飞行过程中可以在不同的“味”之间转换。这种现象表明中微子是有质量的，并且它们的质量并不都是相同的。

中微子有三种“味”：电子中微子、缪子中微子和陶中微子。中微子振荡现象意味着，电子中微子可以变成缪子中微子，缪子中微子可以变成陶中微子，反之亦然。

中微子振荡的机制主要基于量子力学的原理。由于中微子的质量并不是恒定的，当它们在空间中传播时，不同质量的中微子成分以不同的速率传播，这会导致它们之间发生相干叠加，从而产生振荡效应。

△ 日本的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）图源：网络

中微子的振荡现象最早由日本的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）和加拿大的萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory）确认。这一发现对粒子物理学产生了深远影响，挑战了标准模型中认为中微子无质量的假设。日本的物理学家梶田隆章（Takaaki Kajita）和加拿大的物理学家阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）通过这两项研究发现了中微子振荡现象，证明了中微子具有质量。这一发现极大地推动了基本粒子物理学和宇宙学的研究，因此两人共同获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

△ 中微子振荡。来源：网络

中微子天文学

中微子天文学是一门崭新的研究领域，专注于探索宇宙中中微子的分布及其来源。由于中微子能够穿透极其厚实的物质层，这使得它们成为研究太阳、超新星、甚至黑洞等天体内部结构的绝佳工具。

中微子天文学的研究热点

太阳中微子：通过观测太阳中微子，科学家能够深入了解太阳的内部结构和核反应过程。
超新星中微子：超新星爆发时会释放大量中微子，研究这些中微子可以帮助我们了解超新星爆发的机制及其对宇宙的影响。
高能天体事件：例如黑洞吞噬物质或中子星并合时，会产生高能中微子，这些现象为我们提供了研究极端天体物理的独特视角。

冰立方中微子观测站（IceCube Neutrino Observatory）位于南极洲，是目前世界上最重要的天体中微子探测器之一。IceCube利用深埋在冰层中的传感器阵列来探测高能中微子。通过观测这些中微子的方向和能量，科学家可以追踪它们的源头。这些探测器为研究宇宙中的极端天体物理现象提供了宝贵的工具。冰立方项目为我们揭开了许多宇宙的神秘面纱，进一步推动了天体物理学的发展。

△ 冰立方中微子观测站（IceCube Neutrino Observatory）来源：网络

中微子与暗物质

中微子与暗物质的研究也是一个前沿领域。暗物质是宇宙中一种尚未直接探测到的神秘物质，但它的存在影响了宇宙的大尺度结构和演化。有理论提出，中微子可能与暗物质有某种关联，通过研究中微子的行为，科学家希望能够揭开暗物质的奥秘。

JUNO实验：虽然下面谈到的JUNO主要研究反应堆中微子的振荡模式，但其高精度的探测能力也有助于提供关于中微子物理的新发现，这些发现可能与暗物质研究相关。

中国的JUNO实验

JUNO（Jiangmen Underground Neutrino Observatory）是中国正在建设的中微子研究基地，花费10亿美元以上，位于广东省江门市。该实验由中国科学院高能物理研究所和广东省共同建设，计划在2025年正式运行。JUNO将成为世界上最重要的中微子研究中心之一。

△ 位于地下700米的江门中微子实验（JUNO）的中心探测器内部、世界最大的单体有机玻璃球，已经全部建成，进入建设的收官阶段。来源：南方网

与超级神冈探测器（Super-Kamiokande）不同的是：

容量：

超级神冈探测器：容量约为50,000吨水。
JUNO：容量约为20,000吨液体闪烁体（液闪）。

研究目标：

超级神冈探测器：主要研究太阳中微子、大气中微子、以及超新星和地球中微子。
JUNO：主要目标是精确测量反应堆中微子的振荡模式和质量序列，还可以研究地球中微子以及来自其他天体中微子。

技术：

超级神冈探测器：使用大型水切伦科夫探测器技术，通过检测光子在水中产生的切伦科夫辐射来探测中微子。
JUNO：使用更先进的液体闪烁体探测器技术，具有更高的探测效率和能量分辨率，通过液体闪烁体产生的光信号来探测中微子。

作为目前世界上最大、最灵敏的中微子探测项目，江门中微子实验的核心探测设备为一个2万吨的液体闪烁体(液闪)探测器，比当前国际最大液闪探测器大20倍；3%能量精度，比当前国际最好水平高1倍；【1】

一、JUNO的主要科学目标：

测量中微子质量序列：通过研究中微子振荡现象，确定中微子的质量序列。
探究宇宙起源：通过研究中微子的特性，探索宇宙的起源和演化。
推动基础物理研究：提供重要数据和实验支持，促进前沿物理研究的进展。
技术创新和人才培养：培养高水平科学人才，推动技术进步。

二、JUNO的中微子研究的技术突破

在中微子研究领域，JUNO（江门中微子实验）实现了多项重要技术突破，涵盖新型光电倍增管及其水下防爆系统、液闪纯化系统、水下电子学、有机玻璃球及不锈钢网架、深埋地下洞室等多个领域。

1、光电倍增管及其水下防爆系统

发明了一种全新构型及电子放大方式的新型光电倍增管，具有国际最高光子探测效率，并获得欧盟、美国、日本等专利授权，打破了该领域的国际垄断。还研制出了高强度、高精度、高透光率的光电倍增管水下防爆系统，并为每一支光电倍增管加装保护装置，确保实验装置的安全。

2、液闪纯化系统

研发了高洁净度、高密封、高效率的液闪纯化系统，成功获得光传输衰减长度大于20米的液闪，达到了目前世界最好水平。采用水下电子学的创新设计，以民用器件实现了航天级别的可靠性。

3、中心探测器及核心设备

江门中微子实验的核心探测设备——中心探测器，位于地下实验大厅内44米深的水池中央。其直径41.1米的不锈钢网壳是探测器的主支撑结构，承载35.4米直径的有机玻璃球、2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等诸多探测器部件。不锈钢网架是目前中国最大的单体不锈钢主结构，而有机玻璃球净重约600吨，是世界上最大的单体有机玻璃球。

4、意义与前景

这些技术突破不仅提高了中微子探测的精度和可靠性，还为未来更多科学研究和技术应用奠定了坚实基础。JUNO实验的成功将为全世界的中微子研究提供宝贵的数据和经验，进一步推动基础科学的发展。

三、JUNO的最新成果

最近，JUNO实验取得了显著的进展。实验室的科学家们正在分析大量的中微子数据，以更好地理解中微子的性质和行为。这些研究有望揭示宇宙中的一些深奥秘密，比如中微子的质量和它们在宇宙大爆炸后的演化过程中的作用。

一些最新的研究成果和展望已经发表在世界顶尖科学期刊《自然》和《物理评论通讯》PRL 上。2021年10月16日，JUNO的最新的成果刚刚发表在PRL上。相信是JUNO实验室发表的第一篇PRL。【2】江门中微子实验建设过程和未来运行取得的所有成果，都将以国际合作组名义发表，所有参与合作的科学家都将共同署名。

未来展望

中微子研究对于理解宇宙的起源和结构具有深远意义。随着技术的不断进步和实验的深入开展，我们有望揭开更多关于中微子的谜团。这些研究将不仅推动基础科学的发展，还可能带来意想不到的技术创新和应用前景。

通过JUNO等重要实验项目，科学家们将继续探索中微子的奥秘，为人类揭开宇宙的更多秘密。未来，中微子研究将成为推动科技进步的重要力量。

参考资料

【1】【中国新闻网】江门中微子实验建设最新进展：攻克系列国际技术难题步入收官

【2】 Prospects for Light Dark Matter Searches at Large-Volume Neutrino Detectors， Bhaskar Dutta, Wei-Chih Huang, Doojin Kim, Jayden L. Newstead, Jong-Chul Park, and Iman Shaukat Ali

Phys. Rev. Lett. 133, 161801 – Published 16 October 2024

个人观点，仅供参考

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