59天數據，逼近中微子質量排序之謎

中微子是宇宙中數量最多的物質粒子，這些微小的、電中性亞原子粒子幾乎不與任何其他物質發生相互作用，它們也因此常被稱為“幽靈粒子”。正因如此，研究它們的性質一直都極具挑戰性。

在一項新發表于《自然》雜志的研究中，江門中微子實驗（JUNO）合作組報告了位于廣東江門的中微子實驗站的第一批實驗結果。他們基于JUNO探測器于2025年8月完成后所收集的首批59.1天數據，首次同時高精度測定了兩個中微子振蕩參數。

新結果與此前的實驗一致。但相較于以往所有測量結果的組合，此次的測量精度提高了1.6倍。

會“變身”的中微子

根據粒子物理學的標準模型，中微子有三種“味”，分別稱為電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它們在傳播的過程中可以相互轉化，這種量子力學現象被稱為中微子振蕩。在中微子振蕩中，中微子被測量為某一種特定類型的概率，會隨著它的能量以及傳播距離而周期性變化。

與此同時，標準模型還預言，中微子應當是沒有質量的。然而，事實證明，中微子是具有質量的。在實驗中，物理學家會通過中微子振蕩來了解中微子的質量。中微子具有三種質量態，但每種質量態并不分別對應某種單獨的味。雖然中微子的質量都小到無法直接測量，但通過中微子振蕩，可以確定不同中微子的質量平方差。

就中微子的三種質量而言，存在兩個彼此獨立的質量平方差。質量平方差決定了中微子在傳播過程中的振蕩快慢——也就是它在不同味之間來回轉換的頻率。數十年來的實驗數據表明，其中一個質量平方差大約是另一個的30倍，這意味著這兩種振蕩有著非常不同的頻率。多數實驗只能測量其中一個質量平方差，而JUNO的優勢在于，它對兩個質量平方差都足夠靈敏。

捕捉微弱的閃光

JUNO的核心探測器，是一個高達約10層樓的球形罐體，內部裝滿了約2萬噸被稱為“閃爍體”的液體。當帶電粒子快速穿過其中時，閃爍體會發出閃光。

JUNO探測的是來自52.5千米之外的核反應堆所產生的反電子中微子。中微子本身不帶電，但當來自核反應堆的反電子中微子撞上液體中的質子時，它會轉變為一個正電子。這個正電子會運動大約10厘米，并發出微弱的光；這些光的總能量能夠揭示原本那個中微子的能量。

在近乎完全黑暗的環境中，這些微弱閃光會被球體內排列著的43183個大小不一的光電倍增管捕捉到。這些探測器相當于JUNO的“眼睛”，其集光效率高于任何能夠購買到的現成產品。研究團隊建造了一座工廠，來專門生產這種光電倍增管。

一名工作人員站在 JUNO球形罐體與光電倍增管陣列之間的夾層空間中。（圖/JUNO Collaboration）

為了確保這些信號確實來自中微子，探測器必須異常潔凈，并且具備良好的屏蔽。中央的罐體浸沒在一池超純水中，這些水用于識別并排除來自外部的無用粒子。探測器位于地下約700米處，上方的巖層可以吸收宇宙粒子，從而為觀測中微子創造一個“靜謐”的環境。

通過高效率地收集大量光信號，并盡量降低背景噪聲，JUNO能夠在兆電子伏特能區達到3%的能量分辨率，從而以前所未有的精度測量來自核反應堆的反電子中微子能譜。最終得到的能譜形狀包含了三種振蕩的信息。

“消失”的中微子

當比較到達探測器的反電子中微子數量與反應堆發出的反電子中微子數量時，會發現一個表觀上的虧損——似乎有一部分反電子中微子“消失”了。事實上，這些中微子并沒有真正消失，而是轉變成了反μ子中微子或反τ子中微子，而這兩類反中微子對于JUNO探測器來說是不可見的。

在JUNO探測器與反應堆距離固定的情況下，不同能量的反中微子會表現出不同程度的“消失”。這種消失比例隨能量緩慢起伏，形成類似波浪的變化。這種緩慢起伏的“波”的形態，由較小的質量平方差決定。理論上，在這條振蕩曲線上，還會疊加一些由較大的質量平方差決定的細小波紋。

僅憑59.1天的數據，JUNO就已經觀測到：探測器中看到的電子反中微子數量明顯減少。也就是說，相比沒有振蕩時本該探測到的數量，有相當一部分反電子中微子在飛行途中振蕩成了其他類型?；谶@些數據，JUNO對兩個質量平方差中較小的那一個給出了迄今最精確的測量。

與此同時，JUNO的數據還顯示出一個令人期待的跡象：由較大質量平方差引起的細小波紋，似乎已經開始顯現。正是這些小波紋，關系到JUNO的最終目標——確定中微子的質量排序。

中微子的質量排序

目前，物理學家并不知曉中微子的確切質量，也不知道三種質量態究竟是怎樣排序的。按照“正序”假說，兩個較輕的質量態靠得更近；而在“反序”假說中，靠得更近的是兩個較重的質量態。

弄清中微子的質量排序，是理解中微子質量來源的關鍵。它還會影響許多其他研究的解釋，例如：尋找中微子是否就是自身反粒子的實驗、對超新星中微子的理解，以及對宇宙學模型的約束。

據估計，JUNO 大約需要收集六年的數據，才能區分兩種可能的質量排序。不過，對較大質量平方差的測量，有望更早達到低于1%的精度。

理解中微子的行為，對于建立一套完整描述微觀尺度下物質與基本作用力的理論至關重要。JUNO 的首批結果，標志著精密中微子振蕩測量進入了一個新時代，也有望讓我們進一步認識這些神秘基本粒子的性質。

#參考來源：

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：JUNO Collaboration