中微子是亞原子粒子家族中的怪異成員。它們無處不在，從太陽、深空和地球傾瀉而下，每秒數萬億次地穿過我們的身體。這些粒子非常微小，幾乎不與任何事物相互作用，這使得它們極其難以捉摸和研究。此外，儘管中微子有不同的型別，或稱“味道”，但它們在接近光速傳播時可以從一種型別轉換成另一種型別。科學家們認為，這些奇怪的行為可能指向關於宇宙歷史和物理學未來的深刻見解。
經過近六年的挖掘，一個巨大的中微子實驗室正在中國南方連綿起伏的丘陵中成形，距離香港以西約150公里。江門中微子實驗室（JUNO）將成為世界上最強大的中微子實驗之一，與日本的超級神岡探測器（Hyper-K）和美國的深度地下中微子實驗（DUNE）並駕齊驅。JUNO將利用附近的兩個核電站作為中微子源，旨在更多地瞭解這些粒子，並回答一個基本問題：三種已知型別的中微子的質量彼此之間如何比較？儘管研究人員知道這些粒子具有少量質量，但確切的量仍然未知。現有證據表明，其中兩種“味道”的質量接近，而第三種則不同。但科學家們不知道這第三種類型是比其他型別更重還是更輕：前者被稱為“正質量排序”，後者被稱為“反質量排序”。
費米國家加速器實驗室（位於伊利諾伊州巴達維亞）的理論物理學家約瑟夫·萊肯表示，中微子的質量排序是研究人員需要確定的關鍵引數。“事實上，各種其他事情都取決於這個問題的答案，”他補充道。例如，這個答案可以幫助科學家們更好地估計宇宙中中微子的總質量，並確定它們如何影響了宇宙的形成和星系的分佈。即使中微子是所有已知物質粒子中最輕的，但太空中存在如此多的中微子，它們必定對普通物質的分佈方式產生了巨大影響。瞭解中微子質量的排序方式也可能有助於解釋為什麼這些粒子根本具有質量，這與早期的預測相矛盾。
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超過650名科學家（其中近一半來自中國境外）一直在參與JUNO專案，該專案最初於2008年提出。今年晚些時候或2021年初，研究人員將開始組裝該實驗的13層樓高的球形探測器。內部將被總共43,000個光探測光電倍增管覆蓋，並填充20,000噸特殊配方的液體。在地下700米處，偶爾，一個電子反中微子（核反應堆產生的特定型別的粒子）會撞擊一個質子，並在液體中引發反應，這將導致兩次閃光，間隔不到一毫秒。“這種小小的‘巧合’將被視為反應堆中微子訊號，”加州大學爾灣分校的粒子物理學家胡安·佩德羅·奧喬亞-里科克斯說，他共同領導JUNO的兩個光電倍增管系統之一。
中國科學院高能物理研究所（專案的主要機構）的JUNO副發言人曹俊表示，當中微子從53公里外的核電站到達探測器時，只有約30%的中微子會保持其原始身份。其餘的將轉換為其他“味道”。該觀測站將能夠非常精確地測量這個百分比。
一旦投入執行，JUNO預計每天將看到大約60個這樣的訊號。然而，為了對質量排序問題有一個具有統計說服力的答案，科學家們需要100,000個訊號——這意味著該實驗必須執行數年才能找到答案。與此同時，JUNO將探測和研究來自其他來源的中微子，包括每天來自太陽的10到1,000個粒子，以及如果超新星在距離地球一定距離爆炸，則會突然湧入數千個粒子。
JUNO還可以捕捉來自地球表面以下的地球中微子，那裡的放射性元素（如鈾238和釷232）會經歷自然衰變。馬里蘭大學的地質學家威廉·麥克多諾表示，到目前為止，研究地球中微子是瞭解地下還剩下多少化學能量來驅動我們星球的唯一有效方法，他從早期就參與了該實驗。“JUNO在這方面是一個遊戲規則改變者，”他說。儘管日本、歐洲和加拿大的所有現有探測器加起來每年可以看到約20個事件，但僅JUNO就應該每年探測到400多個地球中微子。
JUNO發言人兼中科院高能物理研究所所長王貽芳表示，目前該實驗正在處理洪水問題，這已將建設工期推遲了兩年。工程師每天需要抽出12,000噸地下水，但水位已顯著下降。在建造地下實驗室時遇到洪水問題並不罕見——安大略省薩德伯裡中微子天文臺也遇到了這個問題。王貽芳相信，這個問題將在建設完成之前得到解決。
王貽芳表示，JUNO應該在2022年末或2023年初投入執行。在本十年末，DUNE和Hyper-K也將加入進來。DUNE將使用基於加速器的中微子，能夠以最高的精度測量粒子的質量排序。它還將研究一個關鍵引數，稱為CP破壞，這是衡量中微子與其反物質對應物行為差異程度的指標。這項測量可能揭示這些微小粒子是否是宇宙大部分由物質組成的原因之一。“JUNO關於中微子質量排序的結果將有助於DUNE儘可能最好地發現和測量CP破壞，”萊肯說。前一個實驗以及其他正在開發中的中微子觀測站也可能揭示科學家們尚未預測到的東西。中微子研究的歷史表明，這些粒子經常表現出意想不到的行為，萊肯說。“我懷疑這些實驗的結合將會產生驚喜，”他補充道。
編者注（9/24/20）：此故事在釋出後經過編輯，以更正工程師每天必須從實驗地點抽出的水量數字。它也已更新，以明確兩個發電廠與實驗探測器之間的距離。