中国JUNO精确测量中微子振荡，“幽灵粒子”研究迈向高精度时代

charm · 发表于 2026-6-11 20:06:32

导读：

位于广东的江门地下中微子实验观测站（JUNO）仅用59.1天的运行数据，就将中微子振荡的两个关键参数——混合角θ12和质量平方差Δm²21——的测量精度提升了约1.6倍，成果以封面文章发表于最新一期Nature。具体而言，sin²θ12的不确定度从此前的4.6%压缩至2.81%，Δm²21的不确定度从2.5%压缩至1.6%[1]。这标志着中微子研究进入了一个更精密的新阶段。

瞿立建｜撰文

中微子是粒子物理学标准模型中最难以捉摸的成员，被称为“幽灵粒子”。这个名字并不夸张。中微子极轻、不带电，只通过非常微弱的方式与物质相互作用。对中微子来说，厚厚的岩层、钢铁、海洋甚至整个地球，几乎都像透明的一样。因此，测量中微子极端困难。(赛先生：中微子到底是什么？中国的探测器运行在即，或率先解开宇宙之谜)

位于广东的江门地下中微子实验观测站（JUNO）的最新结果将中微子测量精度提升到了新的水平。JUNO团队应用实验观测站运行59.1天的数据，给出了目前最精确的同时测量结果[1]：

sin²θ₁₂ = 0.3092 ± 0.0087

Δm²₂₁ = (7.50 ± 0.12) × 10⁻⁵ eV²

与此前所有实验结果综合值相比，精度提升了1.6倍。Δm²₂₁的不确定度从此前保持的2.5%压缩至1.6%；sin²θ₁₂的不确定度从4.6%压缩至2.81%。

这两个参数为什么重要？要回答这个问题，我们需要先了解中微子的变身能力，以及围绕它长达半个多世纪的探索历程。

SAIXIANSHENG中微子有三种“味”
小雷蒙德·“雷”·戴维斯（英语：Raymond "Ray" Davis, Jr.，1914年10月14日—2006年5月31日），美国物理学家、化学家，因探测宇宙中微子的成就获得2002年诺贝尔物理学奖。图源：wikicommon

1967年，美国化学家、物理学家雷蒙德·戴维斯开始了一项探测中微子的实验。实验在一个深井金矿中进行，在地下 1478 米处，放置了380立方米四氯乙烯。实验装置经精心设计，只探测来自太阳的中微子。实验的原理是，中微子会有一定概率将一个氯原子变成一个氩原子，“数”出氩原子数目，便可推断出中微子数量。

戴维斯探测太阳中微子原理的示意图。图源：GMU

戴维斯真的成功了，成了史上第一个“看到”恒星核心的人，同时也成了中微子天文学的奠基人。但是还有一个问题困扰着他：所探测到的太阳中微子数量，只有理论预测值的三分之一。这个问题被称为“太阳中微子失踪之谜”。

戴维斯的实验以及他所发现的异常现象吸引了更多的科学家着手建造中微子探测器，并相继证实了“太阳中微子失踪之谜”的存在。

中微子物理学后续发展显示，中微子不是只有一种类型，而是有三种，称为三种“味”，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。

苏联物理学家布鲁诺·庞蒂科夫(Bruno Pontecorvo，1913年8月22日—1993年9月24日）提出，如果中微子有质量，那么它们就可以“变身”，即从一种“味”转变为另一种“味”，这称为中微子振荡。中微子在飞行途中，被探测为某种特定味的概率不是固定的，而是随传播距离做周期性的起伏变化——故称为振荡。中微子在从太阳内核发射到地球时会改变味。图源：Frontiers

“太阳失踪中微子之谜”的答案可能是，太阳虽然只产生电子中微子，但在从太阳到地球的途中，会在三种味之间振荡，最后只留下部分电子中微子，而戴维斯实验只能探测电子中微子。

SNO中微子实验原理的提出者和早期负责人之一是华人物理学家陈华生（Herbert Chen)，可惜他英年早逝，他的位置由团队里的加拿大科学家阿瑟 ⋅ 麦克唐纳 (Arthur McDonald)接任，后者获得2015年诺贝尔奖。图源：中国科学院高能物理研究所

上述想法被加拿大萨德伯里中微子观测站（Sudbury Neutrino Observatory，SNO）证实。SNO既能测量电子味中微子，也能测量三种味中微子的总量。2001发表的结果表明[2]，电子中微子确实减少了，但三种味的中微子总数与理论相符。由此科学家确认，那些“失踪”的中微子并没有消失，而是在飞往地球途中发生了味转变，也就是中微子振荡。

SAIXIANSHENG换味的规律是什么？

SNO 解决了一个基础问题：中微子确实会从一种味变成另一种味。但物理学家不满足于知道“会不会”，还想知道：换味的规律到底是什么？

描述三味中微子振荡，需要六个基本参数：三个混合角（θ12、θ23、θ13），两个质量平方差(Δm²21、Δm²31)和一个 CP 破坏相位。

混合角控制的是中微子换味概率的上限。在最有利的条件下，混合角越接近45°，这个上限越高，最高可达100%。但实际的换味概率，还取决于中微子飞了多远、能量有多高——这部分由质量平方差来决定。CP破坏相位是描述中微子与反中微子振荡概率不对称的物理量。

2024年，大亚湾核反应堆中微子实验项目发表论文[3]，给出了迄今为止θ13精度最高的测量结果。此时，大亚湾核反应堆中微子实验装置已经退役4年。大亚湾浸没在高纯水中的四个中微子探测器。图源wikimedia

中微子观测的接力棒交给了江门地下中微子实验观测站(JUNO)，这次瞄准的是混合角θ12和质量平方差Δm²21这两个参数。JUNO要把中微子“换味”的节奏和幅度测得更清楚。

SAIXIANSHENGJUNO如何测量幽灵粒子
JUNO的中微子探测器外部图。图源：中科院高能所

JUNO的核心是个直径35米的有机玻璃大球，里面装有2万吨液体闪烁体。液体闪烁体的具体物质是烷基苯，是日用洗涤剂的原材料，无毒、易降解，富含氢。这是探测中微子的介质。

JUNO要探测的中微子，来自附近阳江和台山两座核电站的核反应堆。核反应堆产生的是反电子中微子，飞向JUNO的路途中，电子味存在的概率随距离振荡。JUNO选址在位于距阳江和台山核电站等距的52.5公里处，经测算，这里是探测中微子振荡的最佳位置。

核反应堆出来的中微子进入JUNO的液体闪烁体，其中的极少量反电子中微子与液体闪烁体的氢原子核反应，产生一个正电子和一个中子。正电子几乎立刻发光，中子稍后被俘获再发出第二个信号。这个“先后两下闪光”帮助科学家确认事件身份，而第一下闪光的能量则主要用来重建反中微子的能量。我们可统计出各能量段的反电子中微子有多少，即能谱。将所得能谱曲线用理论曲线拟合，测出混合角θ12和质量平方差Δm²21。江门地下中微子实验观测站（JUNO）位置。图源：JUNO官网 SAIXIANSHENG更精密时代的序章

JUNO首批成果不是简单刷新两个数字，它不仅证明了探测器性能达到了预期，而且把中微子研究推进到更精密的阶段。

59.1天对于一个计划长期运行的大型实验来说，只是开场。随着数据的积累，JUNO将获得更精细的反应堆中微子能谱结构，有望攻克中微子质量排序这个长期悬而未决的问题，质量排序若被确定，将进一步约束中微子质量起源理论，是寻找新物理的重要路标。以目前的观点来看，质量排序是中微子物理最后一个大问题，是诺贝尔奖级别的课题（赛先生链接：“幽灵粒子”质量排序之谜，有望在2030年前解开？）

JUNO还将把中微子用作工具，研究超新星、地球等。如果JUNO真地做到将中微子用作探索未知领域的工具，这将开启真正的“中微子时代”。

现在，JUNO只是写下了幽灵粒子变身的一小节旋律，后续将呈现更完整的乐章。

参考文献：

[1] The JUNO Collaboration. Measurement of reactor neutrino oscillation with the first JUNO data. Nature 654, 343–348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10538-z

[2] SNO Collaboration. Phys. Rev. Lett. 87, 071301-– Published 25 July, 2001.

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.071301

[3] An, F. P., et al. "Measurement of electron antineutrino oscillation amplitude and frequency via neutron capture on hydrogen at Daya Bay." Physical review letters 133.15 (2024): 151801.

charm · 发表于 2026-6-11 20:10:28

上面的科普文章转载自公众号赛先生，转载时图片丢失

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