#论文故事#地下的眼睛：JUNO首批数据中的中微子振荡

去年下半年，网上开始流传一个“中国科学家在地下700米抓鬼”的meme，段子流传之广，我在老家一个地级医院照顾生病的母亲，来探视临床病友的人讲起都眉飞色舞的程度。

“地下700米，搞了大家伙，就在广东哦，抓那个东西，人都看不见。”

大约同时，2025年8月26日，广东江门，打石山下700米的岩层深处，一个装满20000吨透明液体的巨型有机玻璃球，在黑暗中睁开了眼睛。

它叫JUNO，江门地下中微子观测站。从2015年破土动工到建成，整整十年。从开始运行取数，仅仅59天，就交出了一份让全球粒子物理学界瞩目的成绩单。

2026年6月10日，这篇论文发表在了《自然》的封面，当期封面标题是“风味剖面”——中微子的三种类型，物理学家恰好称之为三种“味道”。论文正式的题目是：Measurement of reactor neutrino oscillation with the first JUNO data（基于首批JUNO数据的反应堆中微子振荡测量）。

一，穿身而过，了无痕迹

公众之所以兴致勃勃的说科学家在抓鬼，是因为JUNO要捕捉的玩意，真的是太像“鬼”了。

它叫中微子，无处不在。每秒有数万亿个中微子从太阳出发，穿过人的身体，穿过整个地球，既不会撞人体内任何一个细胞，也不会被任何电磁场偏转。

物理学家花了42年，用了两个诺贝尔奖，确认了一件事：这样无声无息的中微子，是有质量的。1956年发现宇称不守恒，认为中微子质量不为零。1998年发现中微子振荡，证明质量不为零。

但在现在的粒子物理的标准模型中，就是在现在所有的教科书中，描述基本粒子和基本作用力的理论中，中微子的质量应该为0。现实打了理论的脸。这意味着，中微子藏着人类现有物理理论框架之外的秘密。

二，看我三般变化

问题来了，中微子几乎不和任何东西互动，你怎么研究它？

答案是：它会变身。

中微子有三种类型，物理学家称之为三种“味道”。但中微子并不以某一种固定味道存在。一个中微子诞生时，一定是某一种确定的味道，但里面住了三个不同的灵魂——三种不同质量的中微子。在飞行过程中，这三种成分的相位会不停地变化，导致表现出的“味道”也在不断变化。这就是中微子振荡，一种在宏观距离上发生的量子效应，也是中微子有质量的铁证。

要描述这种变身，需要几个关键数据。过去几十年，全球各地的实验，有的盯着太阳，有的盯着大气层，有的盯着核反应堆，有的用加速器人为制造中微子，已经差不多把这些数字都测出来了。但有一个问题始终没有答案：三种中微子里，谁最轻，谁最重？

三、谁轻谁重，为什么重要？

中微子有三种，质量各不相同。它们之间的质量差距，一个小，一个大，大的大约是小的30倍。

问题是：这个小差距，到底隔开了两个较轻的，还是隔开了两个较重的？前一种叫“正常排序”，后一种叫“反转排序”。听起来像是一个细枝末节的技术问题，但它牵动着好几个更大的谜团：中微子的质量是怎么来的？它是不是自己的反粒子？宇宙早期的物质为什么比反物质多？

江门地下中微子观测站，就是要回答这个问题。

四、地下700米，20000吨液体

JUNO思路很直接：把探测器放在离核反应堆大约53公里的地方，用前所未有的精度看反应堆飞过来的中微子。

为什么是53公里？因为这恰好是中微子第一种振荡走到起伏最剧烈的位置。在这个距离上，中微子变身的幅度最大，最容易看清。而且，它会产生一种特殊的信号，在一条缓慢起伏的曲线上，会叠加一层细密的小波纹。在正常排序和反转排序之间，这些小波纹的起伏，会有一点点微小的变化。

看清这层小波纹，就可以判断排序。

但要看清这么小的波动，需要一个非常大非常大的探测器。JUNO有多大？它的核心球体，直径约35.4米，足以在里面放下一栋十几层高的楼。在它内部，装了20000吨液体闪烁体，球体内壁安装了超过43000个极其灵敏的光传感器它们密集排列，覆盖了球面近八成的面积。

此外，探测器必须藏在地下。700米的岩层是一个天然的宇宙射线屏蔽层。外围还要包裹一圈超纯水，用来识别那些突破了岩层，从外面闯进来的杂散粒子。整个装置必须做到极其干净、极其安静——因为中微子的信号实在太稀罕，任何来自环境的干扰都可能把它淹没。

五、一闪一落，双重签名

中微子撞上这些液体闪烁体时到底发生了什么？

一个从反应堆飞来的反中微子，击中了液体中的一个质子。这一撞，生出两个新粒子：一个正电子，一个中子。正电子马上和周围的电子湮灭，爆出一团闪光，这是第一道信号。中子则慢悠悠地飘大约200微秒，然后被一个氢原子核捕获，释放出第二道闪光。

两道闪光，间隔极短，位置接近，能量各有特征，组合在一起，就是一个中微子的双重签名。这就是那个“鬼”！

从2025年8月26日到11月2日，59天，探测器捕捉到了2379组这样的双重签名。
如果中微子不会变身，按照反应堆的功率计算，这本该是每天约151个——59天下来应该有接近9000个。实际收到的，只有这个数字的三分之一。

消失的那三分之二，就是在飞行途中变了身，换了一种探测器看不见的面孔。
用这2379个信号，研究团队计算出两个关键数字。一个是中微子变身的幅度有多大，另一个是两种质量之间的那个小差距具体是多少。两个数字的精确度都比此前全球所有实验的综合结果提高了1.6倍。

研究团队在论文中表示，59天的数据还不足以确定轻重排序，这需要更长时间的积累，目前估计大约六年，但数据中已经浮现了一层细微波纹的雏形。在同期《自然》的评论中，评述人称其为“一个诱人的迹象”。

比这个迹象更重要的，是59天的结果验证了一件事：这台建造了10年的探测器，从液体纯度到光传感器精度，从校准方法到数据分析流程，全部达到了设计预期。它确实已经具备了实现通往最终答案的能力！

六、才刚刚开始

以轻重排序的JUNO，论文作者没有排序。这篇论文署名只有一个“JUNO合作组”，但在附录的作者中，17个国家的75家机构的700多位作者按首字母排列，没有谁是第一作者。为什么这么署，我还真问曹俊老师了。他说：“粒子物理实验的约定俗成。这样大家会协力先把研究做好，而不是先分credit。”

JUNO的目标，远不止轻重排序。

JUNO还在同时观测太阳内部核聚变产生的中微子，等着捕捉银河系中某颗恒星爆发时的超新星中微子，监测地球内部放射性元素衰变发出的中微子，甚至可能嗅到暗物质湮灭的信号。它也在搜寻一种极其罕见质子的衰变，如果真的存在，那将彻底改写人类对物质世界的理解。

江门地下的那双眼睛刚刚睁开，它能看到的，比任何人想象得都多。

（嘿嘿，@曹俊IHEP 老师亲自指正，修改几处文字。让我叉会腰！）

论文原文在这：http://t.cn/AXoAuwWT
@steed @曹俊IHEP @微博科普