59天数据，逼近中微子质量排序之谜

中微子是宇宙中数量最多的物质粒子，这些微小的、电中性亚原子粒子几乎不与任何其他物质发生相互作用，它们也因此常被称为“幽灵粒子”。正因如此，研究它们的性质一直都极具挑战性。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，江门中微子实验（JUNO）合作组报告了位于广东江门的中微子实验站的第一批实验结果。他们基于JUNO探测器于2025年8月完成后所收集的首批59.1天数据，首次同时高精度测定了两个中微子振荡参数。

新结果与此前的实验一致。但相较于以往所有测量结果的组合，此次的测量精度提高了1.6倍。

会“变身”的中微子

根据粒子物理学的标准模型，中微子有三种“味”，分别称为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它们在传播的过程中可以相互转化，这种量子力学现象被称为中微子振荡。在中微子振荡中，中微子被测量为某一种特定类型的概率，会随着它的能量以及传播距离而周期性变化。

与此同时，标准模型还预言，中微子应当是没有质量的。然而，事实证明，中微子是具有质量的。在实验中，物理学家会通过中微子振荡来了解中微子的质量。中微子具有三种质量态，但每种质量态并不分别对应某种单独的味。虽然中微子的质量都小到无法直接测量，但通过中微子振荡，可以确定不同中微子的质量平方差。

就中微子的三种质量而言，存在两个彼此独立的质量平方差。质量平方差决定了中微子在传播过程中的振荡快慢——也就是它在不同味之间来回转换的频率。数十年来的实验数据表明，其中一个质量平方差大约是另一个的30倍，这意味着这两种振荡有着非常不同的频率。多数实验只能测量其中一个质量平方差，而JUNO的优势在于，它对两个质量平方差都足够灵敏。

捕捉微弱的闪光

JUNO的核心探测器，是一个高达约10层楼的球形罐体，内部装满了约2万吨被称为“闪烁体”的液体。当带电粒子快速穿过其中时，闪烁体会发出闪光。

JUNO探测的是来自52.5千米之外的核反应堆所产生的反电子中微子。中微子本身不带电，但当来自核反应堆的反电子中微子撞上液体中的质子时，它会转变为一个正电子。这个正电子会运动大约10厘米，并发出微弱的光；这些光的总能量能够揭示原本那个中微子的能量。

在近乎完全黑暗的环境中，这些微弱闪光会被球体内排列着的43183个大小不一的光电倍增管捕捉到。这些探测器相当于JUNO的“眼睛”，其集光效率高于任何能够购买到的现成产品。研究团队建造了一座工厂，来专门生产这种光电倍增管。

一名工作人员站在 JUNO球形罐体与光电倍增管阵列之间的夹层空间中。（图/JUNO Collaboration）

为了确保这些信号确实来自中微子，探测器必须异常洁净，并且具备良好的屏蔽。中央的罐体浸没在一池超纯水中，这些水用于识别并排除来自外部的无用粒子。探测器位于地下约700米处，上方的岩层可以吸收宇宙粒子，从而为观测中微子创造一个“静谧”的环境。

通过高效率地收集大量光信号，并尽量降低背景噪声，JUNO能够在兆电子伏特能区达到3%的能量分辨率，从而以前所未有的精度测量来自核反应堆的反电子中微子能谱。最终得到的能谱形状包含了三种振荡的信息。

“消失”的中微子

当比较到达探测器的反电子中微子数量与反应堆发出的反电子中微子数量时，会发现一个表观上的亏损——似乎有一部分反电子中微子“消失”了。事实上，这些中微子并没有真正消失，而是转变成了反μ子中微子或反τ子中微子，而这两类反中微子对于JUNO探测器来说是不可见的。

在JUNO探测器与反应堆距离固定的情况下，不同能量的反中微子会表现出不同程度的“消失”。这种消失比例随能量缓慢起伏，形成类似波浪的变化。这种缓慢起伏的“波”的形态，由较小的质量平方差决定。理论上，在这条振荡曲线上，还会叠加一些由较大的质量平方差决定的细小波纹。

仅凭59.1天的数据，JUNO就已经观测到：探测器中看到的电子反中微子数量明显减少。也就是说，相比没有振荡时本该探测到的数量，有相当一部分反电子中微子在飞行途中振荡成了其他类型。基于这些数据，JUNO对两个质量平方差中较小的那一个给出了迄今最精确的测量。

与此同时，JUNO的数据还显示出一个令人期待的迹象：由较大质量平方差引起的细小波纹，似乎已经开始显现。正是这些小波纹，关系到JUNO的最终目标——确定中微子的质量排序。

中微子的质量排序

目前，物理学家并不知晓中微子的确切质量，也不知道三种质量态究竟是怎样排序的。按照“正序”假说，两个较轻的质量态靠得更近；而在“反序”假说中，靠得更近的是两个较重的质量态。

弄清中微子的质量排序，是理解中微子质量来源的关键。它还会影响许多其他研究的解释，例如：寻找中微子是否就是自身反粒子的实验、对超新星中微子的理解，以及对宇宙学模型的约束。

据估计，JUNO 大约需要收集六年的数据，才能区分两种可能的质量排序。不过，对较大质量平方差的测量，有望更早达到低于1%的精度。

理解中微子的行为，对于建立一套完整描述微观尺度下物质与基本作用力的理论至关重要。JUNO 的首批结果，标志着精密中微子振荡测量进入了一个新时代，也有望让我们进一步认识这些神秘基本粒子的性质。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-01585-7

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10538-z

https://www.science.org/content/article/first-results-put-neutrino-experiment-china-track-breakthrough

#图片来源：

封面图&首图：JUNO Collaboration