當你伸出手，每秒就有上萬億個微小粒子穿過你的手掌——它們來自太陽的核反應，來自遙遠的星系，甚至來自宇宙誕生之初的餘暉。但你既看不到它們，也摸不到它們。這種被科學家稱爲“幽靈粒子”的神祕存在，就是中微子。

而現在，在中國廣東開平地下700米深處，一個巨型探測器正靜靜等待着它們的到來——這就是江門中微子實驗（JUNO），一個由中國牽頭髮起、來自17個國家和地區的69家單位共同參與的“捕中微子神器”。它爲何要建在地下？又將如何破解中微子的祕密？讓我們一起揭開它的面紗。

中微子研究的“接力賽”

想要理解江門中微子實驗的意義，我們得先回到中微子研究的百年曆程。中微子的故事，始於一場“能量危機”。20世紀初，物理學家在研究β衰變（一種原子核自發釋放電子的過程）時發現，反應前後的能量似乎“不守恆”——總有一部分能量神祕消失。爲解釋這一現象，泡利大膽提出假說——存在一種“看不見的粒子”，帶走了那部分“失蹤”的能量。這種粒子不帶電、質量極輕，幾乎不與其它物質相互作用，這也使得驗證它的存在變得異常困難。泡利甚至在信中調侃，自己預測了一種“無法被探測的粒子”。

物理學家泡利

（圖片來源：維基百科）

但科學的魅力就在於“打破不可能”。1956年，美國科學家萊因斯和考恩就用一場精妙實驗，實現了中微子研究的重大突破。他們的實驗原理是在覈反應堆附近放置裝滿氯化鎘溶液的水箱——反應堆產生的中微子，會以極低概率與水中的質子反應，生成中子與正電子；正電子隨即與周圍電子湮滅釋放光子，而氯化鎘吸收中子後，會再次輻射出光子。通過探測這兩組標誌性的光信號，他們首次在實驗中“抓”住了中微子的蹤跡，並榮獲1995年諾貝爾物理學獎。

此後，關於中微子的研究成果進入“井噴期”：1962年，萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格發現中微子不止一種（當時發現了μ中微子），榮獲1988年諾獎；1968年，戴維斯研究太陽中微子時，發現實際探測到的數量只有理論預期的1/3——這也正是困擾科學家們30年的“太陽中微子失蹤之謎”；1987年，日本神岡探測器捕捉到超新星爆發產生的中微子，戴維斯和小柴昌俊因此榮獲2002年諾獎。

而中國真正走進中微子研究的核心舞臺，始於大亞灣中微子實驗。該項目於2003年提出，2006年立項。2012年，實驗團隊宣佈發現了第三種中微子振盪模式（不同類型的中微子相互轉化的現象），這一成果被《科學》雜誌評爲“年度十大科學突破”，並斬獲“全球基礎物理突破獎”。如果說大亞灣實驗讓中國“躋身國際中微子研究第一梯隊”，那麼江門中微子實驗，則是中國向“中微子研究制高點”發起的衝擊。

大亞灣中微子實驗

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

2015年初，在中國科學院戰略性先導科技專項和廣東省人民政府的支持下，江門中微子實驗啓動建設。歷經十年攻關，2025年，實驗正式建成並開始取數。它與日本的Hyper-K、美國的DUNE並稱爲“全球三大中微子研究裝置”，並率先投入運行，使我國在中微子研究領域的國際領先地位進一步鞏固。

爲何選址開平？解密中微子實驗的“黃金位置”

中微子的“隱身能力”極強——它只參與宇宙四大基本相互作用中的“弱相互作用”（另三種是引力、電磁力、強相互作用），不攜帶電荷，因此不會被電場或磁場偏轉；它的質量輕到至今無法精確測量，速度接近光速，可以幾乎不受阻礙地穿過地球等天體。

要捕捉這樣的“幽靈粒子”，實驗選址必須滿足兩個關鍵條件：足夠多的中微子源，以及足夠厚的“屏蔽層”。而廣東開平的打石山下，恰好是這兩個條件的“完美結合體”。

首先，中微子的探測效率與“源的強度”直接相關。江門中微子實驗的“目標源”，是距離開平約53公里的陽江核電站與台山核電站。這兩座反應堆能提供豐富的中微子源，相當於爲實驗持續輸送“源源不斷的粒子炮彈”。更重要的是，53公里這個距離，是經過計算的“黃金距離”。中微子有一個特殊能力——“振盪”，即從一種“味道”（電子中微子、μ中微子、τ中微子）變成另一種。江門實驗的首要科學目標，正是通過探測中微子振盪現象，確定中微子的“質量順序”。而理論計算顯示，在距離核反應堆50~55公里的範圍內，中微子振盪效應最爲顯著，能爲實驗提供最有利的觀測條件。

其次，選址在地下700米，是爲了“屏蔽干擾”。地面上充滿了宇宙射線（來自宇宙空間的高能粒子），這些粒子會產生與中微子信號相似的“噪聲”，干擾實驗測量。而厚厚的岩石層，就像一道“天然盾牌”，能大幅度降低各種射線的強度，讓探測器在“安靜的地下環境”中專注捕捉中微子，是理想的實驗場地。

“巨型捕手”的尖端科技

江門中微子實驗室內，有一個深44米、直徑43.5米的圓柱形水池。水池中是實驗的最核心的部分，也就好比是它的“心臟”——中心探測器，是一個巨大的球形裝置。球體的殼有兩層：外層是不鏽鋼網架，內層是有機玻璃板；球體內部灌注了液體閃爍體。當中微子穿過中心探測器時，有極小的概率會與探測器的液體閃爍體發生相互作用，併產生微弱的光。而不鏽鋼網架上安裝的數萬只“光電倍增管”，就像“靈敏的眼睛”，能捕捉到這些光子，並將其轉化爲電信號——通過分析電信號的時間、強度和分佈，科學家就能反推出中微子的能量、方向和“味道”。

江門中微子實驗探測器示意圖

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

灌水前的江門中微子實驗的中心探測器

（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

要實現這一過程，探測器的每一個部件都需達到“世界級精度”。中國科研團隊與企業協同攻關，突破多項技術瓶頸：自主研發了高量子效率、高增益、高收集效率的20吋微通道板型光電倍增管，打破國外壟斷；直徑41.1米的不鏽鋼網殼，採用12萬套自主知識產權高強螺栓拼接，確保水中浸泡不變形，球形網格拼裝精度控制在3毫米內；直徑35.4米的有機玻璃球厚度僅12釐米，由263塊有機玻璃板拼接而成；研發高潔淨度、高密封、高效率的生產與純化系統，成功製備出光傳輸衰減長度超20米的液閃，指標達當前世界最高水平。