“幽灵粒子”质量排序之谜

物理学家们希望在短短几年内弄清中微子质量的顺序。多项耗资数百万美元的大型实验正在或计划进行。他们确信这一目标能在2030年之前实现。

想象一下，有人递给你三颗不同口味的口香糖球。你被告知其中一颗比其它的重，而另一颗较轻。但到底是哪颗呢？如果这几块糖几乎没有任何重量，有时还会互换口味，甚至当你试图把它们捡起来时，它们大多会直接穿过你的手掌，这时让你区分它们将是个无比艰巨的任务。

科学家们研究核反应堆产生的中微子、放射性衰变、粒子加速器、太阳、地球和宇宙。图源：Fermi National Accelerator Laboratory. Credit: Sandbox Studio/Ana Kova

这正是试图掌控被称为“中微子”这种幽灵般亚原子粒子的物理学家们所面临的真实困境。当前理论认为，这些极其微小的粒子有三种类型（或称“味”），它们充斥着整个宇宙，却极少与我们熟悉的普通物质发生相互作用。尽管这些粒子的数量惊人，却异常难研究。

然而，破解中微子究竟有多重以及哪种中微子最重的难题，对粒子物理学家来说至关重要。物理学家们煞费苦心建立起描述自然界所有粒子和相互作用力的“标准模型”，该模型明确指出中微子没有任何质量。但是，观测结果却证实，中微子实际上具有极小的质量。这是物理学标准法则中一个令人头疼却又至关重要的例外，并对其他理论产生了深远的影响。对于任何想要理解宇宙的人来说，解决这个问题势在必行。

好消息是，物理学家们正在取得极好的进展，并且极有希望在短短几年内弄清中微子质量的顺序，他们确信这一目标能在2030年之前实现。“我认为无论结果如何，我们都会找到强有力的证据，”美国西北大学的理论物理学家安德烈·古维亚（André de Gouvêa）说道。

图中为过去35年间世界各地进行的实验收集的数据，使得中微子平均质量的最佳估计值越来越好（图中显示了每次测量的误差）。最新结果（插图）显示不确定性范围更窄，非常接近于零。最新估计表明中微子质量至少比电子轻50万倍。

隐形、无处不在

尽管中微子可能很“害羞”，但它们却无处不在：它们是宇宙中数量仅次于光子（光粒子）的第二多的物质。

“对于宇宙中第二多的物质，我们却知之甚少，这确实有点奇怪是吧？”哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿圭列斯（Carlos Argüelles）感叹道。

中微子可产生于太阳和恒星内部的核反应、穿过大气层的宇宙射线，以及其他宇宙和地球上的物理反应。核电站和粒子加速器也能产生中微子。据推测，每秒钟地球上每平方厘米的面积里有数百亿个中微子穿过，而我们毫无察觉。

近一个世纪以来，中微子一直是个未解之谜。20世纪30年代，物理学家为了解释放射性衰变中某些令人困惑的特性，首次构想出了这种粒子。直到1956年才首次在实验上探测到。那时，科学家们还认定它没有质量。

然而，从20世纪60年代末到90年代，探测器发现来自太阳的中微子数量远少于预期，这甚至让一些人一度担心我们的太阳是不是快要“熄火”了。但事实证明，这些狡猾的中微子在飞行过程中，在三种类型（“味”）之间自发切换（或称“中微子振荡”），导致许多中微子逃避了探测。根据爱因斯坦的相对论，这一观测结果意味着中微子必然具有一定的质量。

“中微子喜欢捣乱。这正是我们觉得它们有趣的原因，”阿圭列斯说，“它们总爱做些本不该做的事。”

奇妙的是（量子世界常常如此），中微子被认为是由三种底层的质量态组成，它们以不同的概率相互混合，最终表现为实验中所探测到的三种中微子：电子中微子、μ中微子和τ中微子。其中有一种质量态最重，而另一种最轻。

这些质量态的排序有两种可能性。电子中微子主要由最轻的质量态组成，τ中微子含有更多较重的态，而μ中微子介于两者之间，这就是在所谓的正向排序。但情况也可能恰恰相反。在反向排序中，电子中微子由最重的质量态组成，τ中微子则更轻。究竟哪一种排序才是对的？

事实证明，回答这个关于质量排序的问题，比精确测量中微子到底有多重更简单，因为答案可以通过检查中微子味振荡的细节来找到。即便如此，为了回答这个“简单”的问题，仍需要一系列耗资数百万美元的大型实验和数年的时间。

遍布各地的中微子装置

大多数中微子探测器的工作原理，是捕捉中微子穿过巨量的液体（比如水）时，偶尔与其中的粒子发生相互作用而产生的微弱信号。不同的“味”会产生不同的图案：例如，有的粒子会在水中留下一条笔直的轨迹，而有的粒子则会产生如同微型烟花般的轨迹群。

由于这些相互作用非常罕见，且难以被完美捕捉，研究人员需要经过长时间积累海量的数据，才能自信地对他们所观察到的现象及其物理含义得出统计上可靠的判断。

其中一些探测器最初设计的目的，是监测宇宙射线在地球大气层中相互作用产生的中微子。探测器通过观察直接从最近的天空进入探测器的中微子，与那些（例如在地球另一端产生并）穿透整个地球的中微子之间的差异，来获取宝贵的信息。

空气和地面都充当了透镜，影响到中微子在到达探测器之前的味振荡。通过比较这些不同路径，物理学家可以了解到大量关于中微子振荡的信息，正如前文所述，在不同的质量排序下，这种振荡行为理应是不同的。

这类巨型装置包括世界上最大的中微子探测器——冰立方（IceCube），它将光探测器穿在缆绳上，沉入南极冰层深长的钻孔中；还有日本的超级神冈探测器（Super-Kamiokande，以及目前正在建设、预计2028年投入使用的顶级神冈探测器Hyper-Kamiokande），它们使用的是人造水箱；此外还有最近刚投入运行的ORCA探测器，负责捕捉飞过地中海深处的中微子。它们各有优缺点、不同的探测能力和不确定性，但基本原理大同小异。

图中为南极洲的IceCube实验装置，它使用埋在冰层下的长串光探测器来探测偶尔与经过的中微子相互作用产生的微弱闪光。（图源：ICECUBE / NSF）

阿圭列斯认为，到2030年，这些实验装置将共同收集到足够的数据，以妥善处理质量排序的问题。

他表示，更好的做法是将这些大气中微子实验的结果与新建成的江门地下中微子实验观测站（JUNO）的结果进行对比。JUNO是中国最近建成的一个项目，已于2025年8月底启动。

JUNO位于地下深处，由一个直径35米的塑料球体组成，内部装有20000吨液体，并密密麻麻地布满了光探测器。它的特别之处在于，其目标是探测附近核能设施产生的中微子。由于这种中微子来源不同（核能设施而非宇宙射线），且中微子的飞行路径也不同（从源头到探测器仅50多公里），这种设置产生了一个与大气实验互补的数据集。阿圭列斯认为，将两者进行对比，或许能在短短一两年内迅速破解质量排序的难题。

图中是大亚湾地下中微子实验站（JUNO）在2023年建设期间的照片。该装置于2025年8月下旬运行，主要监测附近核能设施产生的中微子。人们希望JUNO能够为哪些中微子质量最大、哪些中微子质量最小提供新的见解。（图源：新华社 / Alamy Live News）

古维亚赞同这些是很好的策略，但他补充说，在交叉比对多个实验的结果时可能会遇到麻烦——如果不走运，误差可能会被成倍放大。他认为，最出色、最可靠的结果将来自深地中微子实验（DUNE），这是一个他正在参与的美国项目。

DUNE将利用伊利诺伊州费米实验室的粒子加速器产生极其高强度的中微子源，并用它射穿地层，射向1300公里外位于南达科他州桑福德的一个巨型探测器。因为这些中微子是专门为这个实验定制的，数量庞大，且研究人员对它们的了解远多于那些依赖天然或偶然产生的系统。这给了他们巨大的优势。不过，DUNE要到2031年左右才会启动。

“以粒子物理学的时间尺度来看，这已经算是近在眼前了。”古维亚说道。

正向还是反向排序？

迄今为止，结合JUNO的早期结果及大气实验数据，似乎已经给出了一些暗示。“数据似乎倾向于正向排序，”阿圭列斯说。对于包括他在内的一些物理学家来说，这稍显令人沮丧。

理论表明，“正向”排序意味着中微子的总重量较轻，这将使确定其重量的具体数值变得更加困难（因为数值越小，就越难测量）。

这也使得验证其他理论变得更加困难。例如，有一种理论假设中微子就是它们自身的反粒子。阿圭列斯指出，在正向排序和较低的中微子重量下，确认这一理论所需的相互作用发生的频率会极低——没有人能够使用目前任何已知的实验来证实或驳斥这一理论，这意味着答案至少还需要几十年才能揭晓（或者根本无法确定）。

但目前一切都还没有定论，阿圭列斯仍希望“反向排序”能够胜出。“那样会更有趣，”他说。

测定极微小的质量

与此同时，确定中微子绝对质量的探索极度艰难。“你需要具备极高分辨率的探测器，” 阿圭列斯说。这项工作非常难，目前只有一个装置有能力进行尝试：位于德国卡尔斯鲁厄的卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）装置。

图中为卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）装置。该装置中的部分组件过于庞大，在2006年从制造地运往卡尔斯鲁厄时几乎挤不进街道。这是目前唯一能够测定中微子质量的实验装置。（图源：卡尔斯鲁厄研究中心）

KATRIN依赖氚元素进行实验，这种重的放射性氢同位素在衰变时，会释放出一个电子和一个反中微子。研究人员的目标是精确测量衰变产生的电子中能量最高的一部分，从而推断出那些被看不见的反中微子带走的微乎其微的能量部分。由此，他们就能计算出质量，因为正如爱因斯坦所说，质量等价于能量。理论认为，中微子和反中微子的质量是相同的。

这种方法产生了大量的电子，并使用一个长23米、宽10米、庞大且昂贵的真空管道来过滤掉除最高能电子之外的所有物质。这个装置非常庞大。阿圭列斯说：“它非常大，而且非常复杂。所以全世界仅此一台，建造它花费了很长的时间。”

根据KATRIN在2019年至2022年间收集的数据，研究人员首次尝试给出了答案：中微子的平均质量必须小于0.8 eV（电子伏特eV在此用作质量的计量单位）。几年后，随着更多数据的产生，到2025年他们将这一上限几乎减半至小于0.45 eV。这极其轻——至少比电子轻50万倍——这是一项巨大的技术成就。但宇宙学理论表明，实际质量仍然要低得多——可能小于0.1 eV。

“能获得这个测量结果非常令人兴奋，”卡尔斯鲁厄理工学院参与KATRIN实验的天体粒子物理学家马格努斯·施洛瑟（Magnus Schl?sser）说。“当然，如果我们真的彻底解决了中微子质量问题，我们会更加激动。”

未来计划

如果中微子的质量小于0.3 eV，那将超出KATRIN的测量能力。因此，物理学家们正计划通过其他实验装置来提升探测水平。“该领域是非常有创新精神的，” 施洛瑟说道。

其中一个项目是“PROJECT 8”：它同样从分裂重氢开始，但它测量的是电子在磁场中螺旋运动时发出的微波辐射，这应该在评估中微子质量时提供更高的精度。不过，该项目仍处于研发阶段，没人确切知道它何时能建成。

其他被提议的未来实验，包括被称为KATRIN++的下一代项目，则使用改进辐射源和测量更多电子等技巧来攻克这些问题。但施洛瑟说，这也需要几十年的时间，他希望能在自己退休前的25年内得到答案。

通过逐步攻克质量和质量排序的问题，物理学家们真正想要弄清楚的是，中微子为什么会有质量，以及它们是如何获得质量的。

阿圭列斯说：“我们想知道那个精确的数字，以及它之所以是这个数字的原因。”中微子真的会离奇地是其本身的反物质吗？它们是否拥有某种以前未知的电荷类型？我们是否彻底遗漏了标准模型中的一批粒子，包括第四种可能的“味”的中微子？

这些问题似乎没有尽头，可能的解释也极其广泛、光怪陆离。虽然这些知识目前还没有任何已知的实际应用，但它触及了我们理解万事万物的根基。

“我不知道你是否关心宇宙的历史，”古维亚说。“但如果你关心，那你就必须知道中微子的质量。”