JUNO设施将于今年上线，将有助于确定哪种类型的中微子质量最高 - 这是物理学中最大的谜团之一。

中国江门地下中微子天文台（JUNO）的建设工作。朱诺号希望在2024年底之前探测到中微子。图片来源：Qiu Xinsheng/VCG via Getty

开平区， 中国

在中国东南部开平连绵起伏的绿色景观下700米处，建筑工人正在疯狂地完成一个直径35米的球形探测器，该探测器旨在以精致的细节观察被称为中微子的幽灵亚原子粒子。如果一切按计划进行，耗资3.76亿美元的江门地下中微子天文台（JUNO）将在今年年底前准备好开始探测，JUNO的现场经理、中国科学院北京高能物理研究所的物理学家Yuekun Heng说。

这将使它成为目前全球正在建造的几个雄心勃勃的新型中微子探测器中的第一个上线。另外两个——日本和美国——将于 2027 年和 2031 年开始收集数据。

JUNO的主要目标是帮助研究人员确定哪种类型的中微子质量最高，哪种中微子的质量最小，这是物理学中最大的谜团之一。解决这个问题可以帮助物理学家了解中微子是什么，以及为什么它们的质量如此之小。JUNO的研究人员旨在通过测量距离天文台50多公里的两个核电站涌入的中微子来做到这一点。另一个目标是研究从其他来源流入的中微子，包括太阳、大气层、爆炸恒星和地球内部的自然放射性衰变过程。

3月7日，天文台的研究人员开始用液体闪烁体填充微型探测器，液体闪烁体是一种溶剂和有机化学物质的混合物，当中微子穿过它时会发光。该模型将测试闪烁体是否足够纯净，以帮助研究人员破解质量阶问题。

JUNO的方法使其有别于其他正在建造的探测器。纽约布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的物理学家、美国天文台联合发言人玛丽·比沙伊（Mary Bishai）说，日本计划中的超神冈探测器将使用纯净水作为中微子探测介质，而美国的深地下中微子实验将依靠液氩来测量难以捉摸的粒子。这两个未来的探测器都将测量从附近的粒子加速器而不是核反应堆发射的中微子。

Bishai说，就像以不同波长观察宇宙的望远镜一样，拥有几个中微子探测器，这些探测器使用不同的技术来观察来自各种来源（如太阳和核电站）的中微子，这将使研究人员能够更好地了解中微子的特征以及这些粒子在宇宙中的作用。“它为我们提供了一种独特的方法来检查我们的图片是否一致，”她说。

液体闪烁体必须只含有微量的铀和钍，这些放射性元素可以模拟中微子事件，当它们的衰变意外地与其他信号重合时，它们会破坏实验结果。如果这些元素的含量太高，几乎不可能以解决质量排序问题所需的灵敏度来测量中微子，JUNO团队成员Alberto Garfagnini说，他是意大利帕多瓦大学的物理学家。因此，该团队正在填充JUNO的微型版本（称为OSIRIS），以测试流体的放射性纯度，然后再将其直接泵入隔壁的主探测器。正确地迈出这一步很重要，因为一旦 JUNO 装满了 20,000 吨液体，就没有回头路了。“它必须从一开始就是纯粹的，”Garfagnini说。

光电倍增管将检测中微子与物质相互作用时产生的能量闪光。图片来源：中国科学院高能物理研究所

幽灵般的粒子

观察中微子听起来应该很容易，因为它们是宇宙中最丰富的质量粒子，每秒有数十亿个中微子穿过地球的每一立方厘米。但它们的特性仍然是一个谜，因为它们中的大多数在宇宙中滑行时几乎不与物质相互作用，因此很难直接探测到它们。然而，中微子可能掌握着关于宇宙如何演化的线索，Garfagnini说。“它们是宇宙学的重要组成部分，”他说。

物理学家知道中微子有三种类型：电子、μ子和tau（每种都以产生它们的基本粒子命名）。二十多年前，日本飞騨的超级神冈探测器和加拿大的萨德伯里中微子天文台发现，中微子在传播过程中会从一种味道变成另一种味道1,2，物理学家只有在粒子有质量时才能解释。2012年，中国深圳郊外的大亚湾反应堆中微子实验精确测量了描述中微子在不同口味之间切换速率的参数之一3.

中微子也有三种质态——ν1， ν2和 ν3——每种口味都是所有这些口味的混合体。物理学家推论出 ν2质量略大于 ν1，并且 ν 之间有很大的区别3和其他人。但他们仍然没有弄清楚 ν 是否3比更容易理解的同类产品更重或更轻。Bishai说，这个质量排序问题的答案仍然难以捉摸，因为它需要更大、更灵敏的探测器，这些探测器足够接近一个众所周知的中微子源。“你必须处于最佳状态，才能达到你所寻找的效果。”

超过40,000个中微子探测光电倍增管覆盖了主探测器球体。图片来源：中国科学院高能物理研究所

一个巨大的球体

朱诺号位于一座花岗岩山丘下方，它将作为抵御宇宙射线的盾牌——来自太空的增压粒子可以淹没微弱的中微子信号。每天，戴着荧光灯的研究人员和建筑工人乘坐缆车15分钟，沿着陡峭的1.3公里隧道行驶，在一个原始的温控大厅内继续建造探测器。亚克力球已经完成了大约三分之二，很快将浸没在35,000吨高纯度水中，这将进一步保护探测器免受背景辐射的影响。一旦液体闪烁体通过放射性纯度测试，它将被输送到主探测器中。整个过程将需要六个月的时间，Heng说。

保护JUNO的敏感性并非易事。2015年开工建设时，该团队希望在三年内完成建设工作。但是，清除大量的地下水导致了延误。“水是个大问题，”Heng说。为了解决这个问题，该团队安装了一个系统，每小时从蜿蜒的地下隧道中抽出500立方米的水。为了控制氡的水平 - 一种由花岗岩和其他岩石自然产生的放射性气体，不能很好地进行敏感的中微子实验 - 这个洞穴般的设施点缀着旋转的圆柱形风扇。

其位置困难的原因在于表面。朱诺号位于两个核电站之间，每个核电站距离53公里，将为探测器提供稳定的电子反中微子流，这些电子反中微子的质量与中微子相同。Heng说，这些发电厂生产的绝对数量将使研究人员有机会以确定其质量顺序所需的精度来测量它们。

中微子不能被直接探测到，所以为了弄清楚它们的质量，物理学家测量了在中微子与物质相互作用的罕见情况下产生的其他粒子的能量。在JUNO的案例中，当电子反中微子撞到液体闪烁体中的质子时，相互作用将产生正电子和中子，这一过程称为逆β衰变。来自正电子的能量会产生闪光，而中子在被质子捕获时会产生另一次闪光。这些相隔200微秒的闪光将由覆盖球体的40,000多个气泡状光电倍增管测量。Garfagnini说，这些闪光之间的时间差将帮助研究人员将中微子与杂乱的背景信号分开。“这是一个明确的签名，”他说。研究人员希望在未来六年内探测到100,000个中微子。

它的尺寸、屏蔽环境和靠近核动力源将使其成为世界上最灵敏的中微子探测器之一，澳大利亚墨尔本大学的物理学家杰弗里·泰勒（Geoffrey Taylor）说。他补充说，这给了它一个很好的机会，在其他实验开始之前解决中微子的质量顺序。“它有望成为赢家。”

doi： https://doi.org/10.1038/d41586-024-00694-5