近日，一则有关“在地下 700 米处捕捉幽灵粒子”的消息被央视、光明日报等主流媒体报道，也成了各方民众关注的焦点，还引发了一场关于科学、玄学以及公众认知极为激烈的探讨。这条消息说的是我国科学家在江门的地下700米处，即将建成一项大科学实验装置，研究的对象就是宇宙中最常见的粒子——中微子。
为什么称其为幽灵粒子？
中微子是构成物质世界的基本粒子之一，也是宇宙中最常见的粒子，在我们身边无处不在。宇宙大爆炸产生了大量中微子，宇宙空间中的任何地方，每平方厘米每秒会飞过3万亿个中微子；超新星爆发会放出中微子，每次超新星爆发大概放出1058个中微子；地球本身的铀、钍、钾衰变会放出中微子，称为地球中微子；人本身具有放射性，一个人每秒会放出几千个中微子；太阳里面的核聚变会放出中微子，称为太阳中微子；宇宙线撞击大气会产生核反应，生成大量的中微子，称为大气中微子；反应堆内核裂变产物的衰变会产生中微子，一个电功率百万千瓦的反应堆每秒产生6万亿亿个中微子，称为反应堆中微子；人造的加速器也能产生中微子，称为加速器中微子……
中微子最大的特点是与物质的相互作用极为微弱，因此具有极强的穿透力，可以轻松穿过人体、地面、地球甚至是太阳。同时它的质量非常轻，以接近光速运动。中微子是人类迄今了解最少的一种基本粒子，戏称之为“幽灵粒子”，存在着诸多未解之谜，包括它的质量大小和起源、质量顺序、是否造成宇宙中物质与反物质的不对称等。
科学家们研究发现，中微子有三种不同类型，而且它们还有一个特殊的性质，即经常“变身”，从一种类型转变成另一种类型，即中微子振荡。原则上三种中微子之间相互“变身”，两两组合共有三种模式。其中两种模式分别在上世纪60年代、80年代即有迹象，当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。然而，第三种中微子“变身”模式一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在。
我国的前期研究
中微子研究有望发现超出标准模型的新物理，对研究宇宙演化、恒星形成、超新星爆发机制等有重要意义。自1956年首次被证实存在以来，中微子领域研究已经获得4次诺贝尔奖。但“捕捉”中微子，太难！如何拥有更大、更先进的探测器从而获取更精确的数据，是中微子研究的重点。
萨德伯里中微子观测站
由于科学意义重大，自2003年起，多个国家的科学工作者先后提出了大体相似的中微子实验方案，我国科学家也提出利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，寻找中微子的第三种振荡模式。
2007年，大亚湾反应堆中微子实验站动工建设。它的主体由地面控制室和地下5个实验室组成。地面距地下实验室的垂直距离最深可达320米。2011年年底，大亚湾反应堆中微子实验提前以6个探测器开始运行。2012年3月8日，时任中国科学院高能物理研究所所长的王贻芳宣布：大亚湾反应堆中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。该发现是对自然界最基本的物理参数的测量，被认为是对物质世界基本规律的新认识。实验发现的这一新的中微子振荡模式，被《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破之一。此后，大亚湾反应堆中微子实验继续高质量运行，获得丰硕成果。2020年年底，大亚湾反应堆中微子实验装置正式退役。
其实在2012年发现新的中微子振荡模式之后，科学家们就在谋划新的中微子实验项目，并与2013年正式立项，项目选址在江门开平金鸡镇的一座深山里。之所以选择在这里，是因为核反应堆是地球上产生中微子最集中的位置。而江门市距离阳江、台山两处核电站均为53千米，两大反应堆全面建成后总功率居世界第一，可获得双倍的实验样本。这个位置是目前全球最适合做反应堆中微子实验的地方之一。
江门中微子实验装置的概况
实验室的位置距离其正上方的山顶有700米距离。地面上有很强的宇宙射线，会干扰对中微子的探测。700米的山体和岩层就相当于过滤器，可将宇宙射线的强度大幅降低，让我们得到纯净的中微子信号。
从上空俯瞰，江门中微子实验装置的主体就像一只泡在水中的西瓜，整个球体构成了世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。探测器最外侧是一个国内最大的单体不锈钢结构，整个不锈钢网架由12万套高强螺栓固定。不锈钢网架内部是世界最大的单体有机玻璃结构。
想捕捉中微子信号，项目还要依靠一种重要装置——光电倍增管。现在，超过4.5万个光电倍增管正在加紧安装中，它相当于实验的“眼睛”，密布在不锈钢网架内侧，面朝有机玻璃球，时刻“盯紧”玻璃球里面发出的光信号，将中微子被俘获时发出的光信号转换成电信号，并放大1000万倍，从而获取到其能量、位置等信息，交由计算机分析处理。
安装完毕后，科学家就可以通过球体顶端设计好的“烟囱”，给玻璃球内灌满2万吨可以让中微子“现身”的液体，并在玻璃球外的“大桶”里灌满35000吨超纯净水，用来屏蔽岩石放射性以及甄别宇宙线引起的假中微子信号。
中微子质量极小，速度极快，与物质的相互作用极为微弱，中心探测器如何将其捕捉到呢？2万吨的液体将起到主要作用。当大量中微子穿过探测器时，极少的一部分会与液体发生反应，发出极其微弱的闪烁光，被光电倍增管探测到，从而达到捕捉中微子的目的。液体的主要成分是烷基苯，是日常生活中洗手液、洗衣液的主要原料，但江门中微子实验所用的液体需要非常干净，还需要很高的光输出、极好的透明度和极低的放射性本底，这些都给其制备带来极高难度。
建成后的研究展望
江门中微子的实验大厅内部，跨度达到了50米左右，是当下国内最大跨度的地下岩洞。它的中心探测器四周是直径和深度约44米的水池，内部是一个大球。大球分为内外两层，外部是不锈钢网壳，内部就是世界最大的单体有机玻璃球。
目前，江门中微子实验建设进入收官阶段：最内层的有机玻璃球已合拢，外层的不锈钢网架和光电倍增管也在有序合拢中，预计11月底完成全部安装任务，并启动超纯水、液体的灌装，2025年8月正式运行取数，预计运行约30年。
江门中微子实验有着丰富的科学目标，包括测量中微子的质量顺序，精确测量三个中微子振荡参数，以及在2030年装置升级后测量中微子的绝对质量，也将在太阳中微子、地球中微子等研究方面达到国际最好水平，并有望在超新星中微子、质子衰变等方面取得重大成果。
