見微知著：中微子的稱重之旅

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想象一下，有人塞給你三顆不同口味的口香糖。那人神秘地說：“這三顆里有一顆是比其他的更重，一顆是比其他的更輕，但究竟誰是誰呢？” 這任務(wù)聽著簡單，做起來簡直要命：首先，這些口香糖輕得幾乎沒有質(zhì)量；其次，它們有時(shí)還會(huì)“交換味道”；哦對了，當(dāng)你嘗試伸手去抓，大多數(shù)時(shí)候它們居然能輕易穿過你的手心溜走。

這就是物理學(xué)家們在試著對付被稱為“幽靈亞原子粒子”的中微子時(shí)的尷尬處境。對于這些微小到過分的粒子，理論上通常認(rèn)為有著三種類型或是“口味”（學(xué)術(shù)上叫“味”），它們像洪水一樣淹沒了整個(gè)宇宙，卻性格孤僻，基本不跟咱們熟悉的普通物質(zhì)打交道。這種“社恐”屬性使得即便中微子存量極大，想研究它們也難如登天。

然而，能否攻克中微子到底有多重、以及誰最重的問題，關(guān)系到了物理學(xué)家的“顏面”。 他們嘔心瀝血建立了一套描述所有自然粒子和作用力的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，白紙黑字寫著：中微子應(yīng)該完全沒有質(zhì)量。結(jié)果觀測數(shù)據(jù)無情打臉：中微子有質(zhì)量，事實(shí)上這是一個(gè)非常小的量。這就成了物理學(xué)規(guī)則里一個(gè)讓人惱羞成怒的關(guān)鍵例外，暗示著有其他更合理的理論存在。如果你想搞懂宇宙是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的，當(dāng)務(wù)之急是把這個(gè)“Bug”給修復(fù)。

好消息是，物理學(xué)家們最近進(jìn)展神速。他們放話，到2030很有機(jī)會(huì)把這中微子三兄弟的質(zhì)量排清楚。西北大學(xué) (Northwestern University) 的理論粒子物理學(xué)家安德烈·德·古維亞 (André de Gouvêa) 信心滿滿地表示：“我覺得到時(shí)候無論結(jié)果如何，我們都能拿到強(qiáng)有力的證據(jù)。”

在過去的 35 年里，全世界的科學(xué)家們攢下的數(shù)據(jù)，終于讓我們對中微子的平均質(zhì)量有了越來越精準(zhǔn)的估算（圖中的“工”字形誤差棒展示了每次測量的誤差范圍）。最新的測量結(jié)果（內(nèi)插的小圖）中誤差范圍已經(jīng)縮得非常窄了，而且這個(gè)數(shù)值已經(jīng)無限逼近于零——至少比電子還要輕上 50 萬倍。圖片來源：卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)（譯者注：這幅圖的橫軸表示中微子質(zhì)量的平方，負(fù)數(shù)值來源于實(shí)驗(yàn)儀器的誤差）

無處不在的“隱形人”

別看中微子很害羞，它們其實(shí)無處不在：除了光子（光的能量單元）之外，中微子就是宇宙中數(shù)量排第二的大戶。

哈佛大學(xué)的中微子物理學(xué)家卡洛斯·阿圭列斯 (Carlos Argüelles) 吐槽道：“這就很尷尬了，對吧？我們居然對宇宙中數(shù)量第二多的存在幾乎一無所知。”

中微子的來源五花八門：太陽和其他恒星內(nèi)部的核聚變、劃破大氣的宇宙射線，以及各種宇宙級或地球級的反應(yīng)。連咱們自己的核電站和粒子加速器也在源源不斷地生產(chǎn)它們。 據(jù)估計(jì)，每秒鐘都有幾百億個(gè)中微子穿過每一平方厘米的地球表面，但沒有一個(gè)人會(huì)感受到一絲異樣。（譯者注：沒錯(cuò)，就在你讀這句話的時(shí)候，它們正大搖大擺地穿透地球和你，而你連個(gè)噴嚏都不會(huì)打，完全感覺不到它們的存在。）

中微子已經(jīng)困擾了物理學(xué)界快100年了。早在上世紀(jì)30年代，物理學(xué)家為了解釋放射性衰變里一些“不科學(xué)”的現(xiàn)象，強(qiáng)行在腦子里“發(fā)明”了這種粒子來救場。人類第一次直接探測到它們行蹤的實(shí)驗(yàn)發(fā)表于1956年。在那會(huì)兒，科學(xué)家還以為它們跟光子一樣沒有質(zhì)量。

但在20世紀(jì)60到90年代，科學(xué)家們嚇出一身冷汗：探測器抓到的太陽中微子比預(yù)想的少得多，搞得一些人甚至開始擔(dān)心：“完蛋，我們的太陽是不是要熄火了？” 結(jié)果虛驚一場，原來是這幫狡猾的中微子在飛行途中玩起了“變臉”（學(xué)術(shù)上稱為“中微子振蕩”），它們在三種不同的味道（學(xué)術(shù)上稱為中微子的“味”）間跳來跳去，導(dǎo)致很多中微子成了探測的漏網(wǎng)之魚。根據(jù)愛因斯坦的相對論，前面的觀測結(jié)果無不說明，中微子必須有質(zhì)量，事實(shí)正是如此。

“中微子這幫家伙天生就愛不按套路出牌。但正因如此，我們才覺得它們帶勁，”阿圭列斯說，“它們最擅長的事，就是干那些物理定律‘明令禁止’的事。”

在神奇的量子世界里，人們認(rèn)為中微子其實(shí)是由三種隱藏的“質(zhì)量狀態(tài)”按不同比例勾兌出來的。最終呈現(xiàn)出的結(jié)果，就是我們觀測到的電子中微子、μ（繆）中微子和τ（陶）中微子。在這三種質(zhì)量狀態(tài)里，肯定有一個(gè)是最重的，一個(gè)是最輕的。

關(guān)于它們的“體重排位賽”，目前有兩種不同的可能。在被稱為“正常”排序（Normal ordering）的情況下， 電子中微子主要是由最輕的那種成分組成的，陶中微子含有最多的大質(zhì)量狀態(tài)，而繆中微子夾在中間。然而實(shí)際上還有另一種可能，在“顛倒”排序（Inverted ordering）中，電子中微子反而成了由最重成分組成的那個(gè)。到底哪種排位順序是正確的呢？

事實(shí)證明，搞清楚“誰比誰重”比準(zhǔn)確算出“到底有多重”要容易那么一點(diǎn)點(diǎn)——只要盯著中微子味振蕩的細(xì)節(jié)就能找著答案。話雖如此，即便是這個(gè)所謂的“容易”問題，也得砸進(jìn)好幾個(gè)幾百萬美元的大型實(shí)驗(yàn)，再搭上物理學(xué)家們很多年的時(shí)間才行。

中微子的“對號入座”

大多數(shù)中微子探測器的工作原理都很一致：捕捉路過的中微子偶然與大量液體分子（例如水）中的某一些發(fā)生作用時(shí)所釋放的閃光。不同“味道”的中微子會(huì)產(chǎn)生不同的花紋，比如有的像是在水里劃出一道筆直徑跡的流星，有的則像炸開了一場小型的煙花。

由于中微子和物質(zhì)作用的概率比你中彩票頭獎(jiǎng)還低，而且想完美探測極難，所以研究者們必須得花大量時(shí)間積攢“成噸”的數(shù)據(jù)，直到攢夠了能讓統(tǒng)計(jì)學(xué)大佬點(diǎn)頭的數(shù)量，才敢對他們所看到的現(xiàn)象及其背后暗含的原理給出結(jié)論。

有些探測器專門負(fù)責(zé)“窺視”宇宙射線撞擊大氣層中分子時(shí)產(chǎn)生的中微子。這些家伙有個(gè)絕招：物理學(xué)家會(huì)對比那些從頭頂正上方的天空飛進(jìn)來的中微子，和那些從地球另一端鉆進(jìn)來、縱貫整個(gè)地球內(nèi)部的中微子。

厚厚的大氣和堅(jiān)實(shí)的地殼就像是一副巨大的透鏡組，會(huì)干擾中微子在飛向探測器時(shí)振蕩的頻率。通過比較這兩條路經(jīng)，物理學(xué)家就能摸清它們振蕩的規(guī)律——并再次寄希望于不同質(zhì)量排序?qū)?yīng)的振蕩表現(xiàn)也會(huì)有所不同。

這些頂尖探測裝備包括：世界最大的中微子探測器“冰立方”（IceCube），它把成串的光學(xué)探測器順著深長的鉆孔沉入南極萬年冰蓋之下；還有日本的“超級神岡”探測器（Super-Kamiokande以及正在趕進(jìn)度、計(jì)劃 2028 年正式收集數(shù)據(jù)的“頂級神岡” Hyper-Kamiokande），它們采用巨型人造水槽來守株待兔；甚至還有剛剛正式上崗、專門截獲在地中海中穿行中微子的 ORCA 探測器。雖然這些裝備各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，看家本事和不確定性也大相徑庭，但歸根結(jié)底，它們折騰這么大陣仗其實(shí)都在干同一件事。

這是南極“冰立方”（IceCube）實(shí)驗(yàn)的示意圖。物理學(xué)家們在冰層深處埋下了長長的光學(xué)探測器串，專門守株待兔，捕捉那些路過的中微子偶爾撞擊產(chǎn)生的微弱閃光。圖片來源： ICECUBE / 美國國家科學(xué)基金會(huì) (NSF

阿圭列斯樂觀地估計(jì)，到2030年，這幫實(shí)驗(yàn)集結(jié)起來的數(shù)據(jù)應(yīng)該夠咱們很好地解決中微子質(zhì)量排序問題了。[1]

更絕的是，他建議把這些“大氣層實(shí)驗(yàn)”的數(shù)據(jù)跟中國剛建成的江門地下中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對照，后者已經(jīng)在2025年8月底正式開機(jī)了。

JUNO 的主體由在地下深處藏著一個(gè)直徑35米的巨型塑料球組成，里面灌滿了2萬噸液體，球面上貼滿了光學(xué)探測器。它的特殊使命是盯著附近核電站產(chǎn)生的中微子。由于它的中微子來源（核電站而非宇宙射線）和飛行路程（探測器與核電站間僅約50公里）都與眾不同，正好能跟大氣實(shí)驗(yàn)形成互補(bǔ)。阿圭列斯說，把這兩組數(shù)據(jù)一碰，這道困擾人類幾十年的“質(zhì)量排序題”可能在一兩年內(nèi)就能解決。

江門地下中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）已于 2025 年 8 月底正式“開機(jī)”，它就像埋伏在地下深處的哨兵，時(shí)刻“監(jiān)視”著附近核電站產(chǎn)生的中微子。圖中展示的是它 2023 年建設(shè)時(shí)的壯觀景象，大家對它寄予厚望，期待 JUNO 能為中微子質(zhì)量排序問題提供全新的線索。 圖片來源： 鄧華 / 新華社 / ALAMY LIVE NEW

這些策略確實(shí)不錯(cuò)，德·古維亞點(diǎn)頭表示認(rèn)可，但他覺得（譯者注：僅代表受訪者觀點(diǎn)），更穩(wěn)妥的答案還要看他參與的那個(gè)美國計(jì)劃——深地中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）。

美國的深地中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE） 打算利用伊利諾伊州費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的粒子加速器人工制造出一股強(qiáng)到離譜的中微子流，然后直接穿透地殼，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。既然這幫中微子是人工為實(shí)驗(yàn)定制出來的，數(shù)量上自然管夠，而且科學(xué)家對它們的情況更加了解。這些特點(diǎn)給他們帶來了巨大的優(yōu)勢。不過，這臺大戲得等到 2031 年左右才能正式拉開帷幕

“要是按咱們粒子物理學(xué)界的時(shí)間單位來算，那也就是一眨眼的事兒，”德·古維亞說道。

到底是正序還是倒序？

到目前為止，江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）的早期戰(zhàn)報(bào)結(jié)合大氣實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，似乎已經(jīng)在瘋狂暗示其中一種結(jié)論了。阿圭列斯說：“數(shù)據(jù)正在對著‘正常順序’的劇本說悄悄話。”但這對于像阿圭列斯這樣的物理學(xué)家來說，反倒是個(gè)讓人有點(diǎn)失望的消息。

理論推算顯示，如果真的是“正常順序”，那就意味著中微子的總重量比預(yù)想的還要輕。這會(huì)使得測定中微子質(zhì)量絕對值的工作難度倍增——因?yàn)閿?shù)字越小，想把它精確地“秤”出來就越難。

更糟的是，這還會(huì)讓其他理論變得很難驗(yàn)證。比如有個(gè)大膽的猜想說，中微子其實(shí)就是它自己的反粒子。如果基于正常質(zhì)量排序和更輕的中微子質(zhì)量，那我們想親眼見證支撐這個(gè)理論的物理現(xiàn)象，發(fā)生的概率就會(huì)低得令人絕望——阿圭列斯說，將沒有人有能力根據(jù)任何已知的實(shí)驗(yàn)手段證實(shí)或是否決這個(gè)理論，答案可能得再等上幾十年，甚至徹底無法對證。

好在目前懸念還在，阿圭列斯依然在心里默默給“反向排序”加油助威。“那樣才更有趣嘛，”他說道。

給“幽靈”稱重

與此同時(shí)，想要死磕中微子的絕對質(zhì)量簡直是難如登天。“你需要分辨率高到逆天的探測器，”阿圭列斯感慨道。這事兒難到什么程度呢？目前全球只有一臺設(shè)備能夠一戰(zhàn)：那就是位于德國卡爾斯魯厄的“卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)”（KATRIN）。

卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)（KATRIN）——這家伙的其中一個(gè)部件由于塊頭實(shí)在太大，2006 年從制造廠搬往卡爾斯魯厄的“老家”時(shí)，幾乎是貼著街道兩旁的墻壁才勉強(qiáng)擠過去的。時(shí)至今日，它依然是全球唯一能給中微子稱重的實(shí)驗(yàn)裝置。 圖片來源： 卡爾斯魯厄研究中心

KATRIN 的操作非常硬核：它拿出一瓶“氚”（一種大質(zhì)量且?guī)Х派湫缘臍渫凰兀屗匀凰プ儾⑨尫懦鲆粋€(gè)電子和一個(gè)反中微子。實(shí)驗(yàn)人員的目標(biāo)是測量那些能量最高電子的能量，然后就能推算出到底有多少微乎其微的能量被那個(gè)看不見的反中微子給偷偷順走了。有了這個(gè)差額，就能算出質(zhì)量了——畢竟愛因斯坦老人家早就說過，能量和質(zhì)量其實(shí)就是一枚硬幣的正反面。而且根據(jù)理論，中微子和它的反物質(zhì)兄弟質(zhì)量完全一致。

這套方案會(huì)產(chǎn)生海量的電子，為了從這堆亂麻里揪出能量最高的那幾個(gè)，科學(xué)家造了一個(gè)既龐大又昂貴的真空管道：長 23 米，寬 10 米。這玩意兒簡直就是個(gè)鋼鐵猛獸。阿圭列斯評價(jià)道：“它大得驚人，復(fù)雜得離譜，全世界獨(dú)此一份，而且簡直要到時(shí)間盡頭才能把它搭起來。”

根據(jù) KATRIN 在 2019 年到 2022 年間攢下的數(shù)據(jù)，研究員們先試著給出了第一個(gè)答案：中微子的平均質(zhì)量必須低于 0.8eV（電子伏特，粒子物理學(xué)家喜歡用能量單位來衡量質(zhì)量）。又過了幾年，在攢了更多數(shù)據(jù)后的，他們在2025年成功把這個(gè)上限砍掉了幾乎一半，降到至 0.45eV 以下。這是一個(gè)非常小的質(zhì)量——比電子還要輕上至少 50 萬倍！雖然這在技術(shù)上已經(jīng)是了不起的成就了，但搞宇宙學(xué)理論的那幫人卻在一旁說風(fēng)涼話：真實(shí)的中微子質(zhì)量恐怕比這還要低得多——可能連 0.1eV 都不到。

“能測出這個(gè)結(jié)果確實(shí)挺讓人激動(dòng)的，”卡爾斯魯厄理工學(xué)院參與該項(xiàng)目的天體粒子物理學(xué)家馬格努斯·施萊瑟（Magnus Schl?sser）說，“當(dāng)然，如果我們真的把中微子到底多重給徹底解決了，那肯定會(huì)更加激動(dòng)。”

未來的項(xiàng)目建議

如果中微子的質(zhì)量真的低于0.3eV，那就算是 KATRIN 這樣的巨獸也測不了了。所以物理學(xué)家們正打算更新玩法，折騰出一些更高端的實(shí)驗(yàn)裝置。施萊瑟表示：“咱們這行，最不缺的就是腦洞。”

其中一個(gè)種子選手叫PROJECT 8 [2]：它的開場白也是“劈開重氫”，但它選擇測量電子在磁場里轉(zhuǎn)圈圈時(shí)發(fā)出的微波輻射。這種法子對中微子質(zhì)量的感應(yīng)靈敏度更高。不過，這個(gè)項(xiàng)目目前還處于開發(fā)階段，具體啥時(shí)候能動(dòng)工開造，誰心里也沒底。

其他的備選方案還包括一個(gè)叫KATRIN++的升級版，打算借助改良粒子源和測量更多電子等法子來強(qiáng)行破局。但施萊瑟坦言，這事兒少說也要折騰個(gè)幾十年。他現(xiàn)在的愿望非常樸實(shí)：希望在接下來的25年里、也就是在他退休前，能看到一個(gè)確切的答案。

物理學(xué)家們之所以這么一點(diǎn)點(diǎn)地磨這個(gè)質(zhì)量大小和排序的問題，事實(shí)上他們是想搞清楚，中微子這玩意兒到底憑什么有質(zhì)量，以及它們到底是怎么獲得質(zhì)量的。

“我們不光想要那個(gè)數(shù)字，還想要那個(gè)數(shù)字背后的‘解釋’，”阿圭列斯說。比如奇怪的是，中微子是否就是它們自己的反物質(zhì)？它們身上是不是帶著某種人類還沒發(fā)現(xiàn)的新型“電荷”？或者說，咱們辛辛苦苦建起來的“標(biāo)準(zhǔn)模型”是不是漏掉了一大筐粒子，比如那個(gè)傳說中中微子的第四種味？

這些問題沒完沒了，給出的解釋也是一個(gè)比一個(gè)天馬行空。雖然說搞清楚中微子多重可能沒法對已知的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生什么貢獻(xiàn)，但這事兒關(guān)乎咱們理解萬物的根基。

“我不知道你對宇宙的歷史感不感興趣，”德·古維亞說，“但如果的確感興趣，那你必須得弄清楚中微子的質(zhì)量是多少。”

參考文獻(xiàn):

[1]. Argüelles, C. A., Fernández, P., Mart??nez-Soler, I., & Jin, M. (2023). Measuring Oscillations with a Million Atmospheric Neutrinos. Phys. Rev. X, 13(4), 041055. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041055

[2]. Project 8官網(wǎng)：https://www.project8.org/about

作者：Nicola Jones

翻譯：Wonder

審校：姬子隰

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今天我們將送出由北京理工大學(xué)出版社提供的《內(nèi)向的黑洞》。

《內(nèi)向的黑洞》是天體物理學(xué)家、“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南，為年輕人寫的一本天文科普書。這本書以黑洞為線索，串聯(lián)起暗物質(zhì)、暗能量、宇宙演化、外星人等熱門概念。為什么說黑洞是“內(nèi)向”的？黑洞只會(huì)吞噬嗎？暗能量、暗物質(zhì)和黑洞有沒有關(guān)系？蟲洞真的能穿越時(shí)空嗎？外星人到底存不存在？書中沒有艱澀的術(shù)語，只有生動(dòng)的比喻和科學(xué)家的冷幽默，一本書用7章、392頁的內(nèi)容揭開了宇宙的奧秘。

除此之外，書里還融合了作者的科研經(jīng)歷以及科學(xué)家故事，讓讀者在閱讀中潛移默化地了解科學(xué)思維，讓復(fù)雜的宇宙知識變得鮮活易懂。如果你也曾仰望星空，也好奇過宇宙的答案，這本書就是為你準(zhǔn)備的。

【互動(dòng)問題：你是否認(rèn)為測量中微子質(zhì)量是“無用”的事情嗎？為什么？】

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為了保證更多的朋友能夠參與獲獎(jiǎng)，過往四期內(nèi)獲過獎(jiǎng)的朋友不能再獲得獎(jiǎng)品，名次會(huì)依次順延

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編輯：姬子隰

翻譯內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)

不代表中科院物理所立場