2025年8月26日，江门中微子实验（JUNO）成功完成2万吨液体闪烁体灌注并正式运行取数，这一事件在我国乃至全球粒子物理学领域引起了广泛关注。该实验有望测定有关三种中微子的重要物理参数，为人类深入了解微观世界和探索新物理提供关键线索。

中微子：幽灵粒子的神秘面纱

中微子是宇宙中一种极其神秘的基本粒子，它们形如鬼魅，几乎不与物质相互作用，时时刻刻有数十亿的中微子穿过我们的身体却丝毫不被察觉。根据当前宇宙学主流模型（ΛCDM模型），宇宙由大约68%的暗能量、27%的暗物质、4.9%的常规物质、0.1%的中微子以及0.01%的微弱电磁辐射构成，而我们对中微子的了解却十分有限。

中微子的发现源于20世纪20年代物理学家对原子核β衰变的研究。当时，科学家发现衰变产物的能量并不守恒，衰变所释放的电子能量是连续分布的，部分能量似乎消失了。1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出存在一种未被发现的粒子，即中微子，来拯救能量守恒定律。1933年，意大利物理学家恩里科·费米将这种粒子命名为“neutrino”，并建立了第一个定量描述β衰变的理论框架。1956年，美国实验物理学家克莱德·寇恩和弗瑞德里克·莱因斯通过巧妙的双β衰变实验首次探测到了中微子，莱因斯因此获得了1995年诺贝尔物理学奖。

中微子振荡：超越标准模型的契机

中微子质量难题

根据粒子物理标准模型的理论预言，中微子的质量应该为零，它和光子一样没有静止质量。标准模型中的中微子只有左手性粒子和相应的右手性反粒子，这种单一的手性结构使得中微子无法与希格斯粒子场进行相互作用，而希格斯粒子场正是赋予各种基本粒子质量的物理机制。然而，实验结果却对这一理论提出了挑战。

中微子振荡现象的发现

1968年，美国物理学家瑞蒙德·戴维斯通过实验发现，来自太阳的电子中微子实际观测值约为理论预测值的1/3，这一现象被称为“太阳中微子缺失”。随后，日本物理学家小柴昌俊进一步确认了太阳电子中微子的缺失问题，并于1987年观测到超新星1987A的中微子爆发。2001年，加拿大的阿瑟·麦克唐纳团队实测推证了源于太阳的电子中微子确实存在振荡现象，即太阳中微子具有极小的静止质量，他与梶田隆章共同获得了2015年诺贝尔物理学奖。梶田隆章在1998年宣布找到了大气中微子振荡的第一个证据。

中微子振荡是指三种中微子（电子中微子、μ子中微子和τ子中微子）在传播过程中相互转换的现象。根据量子力学原理，如果一种粒子能够发生振荡或变换，那么它必然具有非零的静止质量，这意味着中微子振荡现象超出了标准模型物理的适用范畴，为发展超越现有标准模型理论提供了难得的契机。

第三种中微子振荡模式的证实

在发现太阳中微子和大气中微子振荡后，中微子的第三种振荡模式，即涉及θ₁₃混合角的振荡模式，一直没有实验结果，很多理论甚至怀疑θ₁₃可能为零。直到2012年3月，大亚湾核反应堆中微子实验率先证实存在第三种中微子振荡模式，并精确测量了θ₁₃混合角的数值，振荡几率约为9.2%±1.7%，远高于许多理论家的预期，中国中微子实验研究团队取得了里程碑式成果。

江门中微子实验：探索中微子奥秘的关键

实验装置与原理

江门中微子实验建于地下700米深处，核心是一座高达35米的有机玻璃球体，内部装有2万吨具有特殊材料性质的液体（线性烷基苯作为闪烁液基底），球体周围分布着43200个不同大小规格的光电倍增管，能够以收集光电子的方式探测特殊液体中的微弱闪光。该实验特意建造在距离核反应堆50公里的地方，利用核裂变反应堆产生的持续中微子源进行研究。

研究目标与意义

江门中微子实验的主要目标包括确定中微子的质量顺序、测量中微子质量平方的差、探索CP破坏（可能解释物质 - 反物质的不对称性）等。中微子质量顺序是指三种中微子中较轻和较重中微子的分布情况，分为“正常层次结构”和“倒置层次”。确定质量顺序有助于解决庞蒂科夫 - 牧 - 中川 - 坂田矩阵（PMNS矩阵）的参数问题，该矩阵刻画了三种“味”与质量的混合关系。

此外，中微子还有一些有趣的未解之谜，如神秘的惰性中微子是否存在，它是否是暗物质的主体；中微子是否是它们自己的反粒子（即马约拉纳粒子）等。江门中微子实验有望为这些问题提供答案，帮助我们窥见新物理的曙光。

江门中微子实验是我国粒子物理学领域的一项重大突破，它将继续深入探索中微子的奥秘，为人类理解宇宙的基本构成和运行规律做出重要贡献。