什麼是中微子？它們無處不在，是這個宇宙中最基本的、數量最龐大的粒子之一；它們極端瀟灑，幾乎不和任何東西打交道，旁若無物地遊蕩在宇宙當中；它們是宇宙的活檔案，掌握了太多不爲人知的祕密，比如宇宙的誕生，恆星的死亡，緻密環境情況等等等等；它們是高端的魔法師，在星際旅行中，可以隨意地在三種身份之間不停地切換。從泡利1930年預測出它的存在以來，到現在已經將近一百年的時間了，我們慢慢地在接近它們瞭解它們，但是好像還是沒能一窺全貌。

中微子從哪裏來？

中微子作爲基本粒子，雖然行事低調，卻深刻影響着宇宙的運行。大爆炸後的一秒鐘，產生了極其龐大的宇宙中微子背景，它們掌握了宇宙最初的信息，這是比宇宙微波背景輻射更早的宇宙印記。中微子作爲弱相互作用的參與者，在描述基本粒子形成的標準模型中也扮演着核心的角色。比如貝塔衰變，中子通過釋放一個電子和一個反中微子，轉換成一個質子。如果沒有中微子，弱相互作用就無法完成這種轉化，那麼許多化學元素就無法產生和轉變。同時，中微子在反應過程中默默地攜帶走了部份的能量和動量，確保了宇宙最基本法則—守恆定律的成立。

在恆星的生死輪迴中，中微子作爲高效的能量搬運工，參與到了核心過程中。它們誕生於恆星內部溫度和密度都極高的心臟部位，那裏每時每刻都在發生核聚變反應，從而產生了大量中微子。由於它們不與其他物質相互作用，產生之後就可以像幽靈一樣瞬間穿出，直接帶走鉅額能量，起到了冷卻調節的作用。在恆星死亡階段的超新星爆發中，中微子攜帶走了約99%的能量。它們以近乎光速的速度向外噴射，產生的中微子吹壓將恆星的外殼炸飛，從而宣告了一顆恆星的死亡，並播撒出製造行星和生命的重元素。

在宇宙的巨型粒子加速器中，如活動星系核和伽馬射線暴等，所誕生的中微子爲我們探測這些遙遠而神祕的天體提供了獨一無二的信使。比如，活動星系核作爲宇宙中最持久、最強大的高能引擎，中心是超大質量黑洞，黑洞周圍的吸積盤物質在被吞噬時，因摩擦被加熱到極高溫度，同時產生強大的噴流。在這樣的極端環境中，質子和光子被加速到接近光速，不斷髮生着劇烈碰撞，產生一種叫做π介子的不穩定粒子，而其會快速衰變，產生謬子和中微子，隨後謬子會衰變產生另外的中微子。這些具有較高能量的中微子在粒子高能碰撞這樣狂暴的物理過程中被大量製造出來，成爲了這些宇宙最劇烈事件中能量和信息輸出的絕對主力。

捕獲中微子

儘管中微子無所不在，但是在生活中我們是沒有辦法“看到”它們的，只能通過觀察其與探測物質相互作用所產生的次級效應或者痕跡來推斷它們的存在和性質。就好像我們處在一片完全黑暗的森林裏，想知道周圍有沒有其他生物。那我們只能通過它們活動發出的聲音，留下的痕跡，腳印的大小來推斷出它們是什麼，從哪兒來，有怎麼樣的運動。探測中微子就更難了，它們幾乎不會在探測器中留下什麼來過的證據。只能採用最“笨”也是最有效的方式，製造巨大的陷阱，耐心地等待着它們極其罕見的撞上的一刻。

怎麼設計中微子探測器這個陷阱呢？一方面要足夠深，比如深海或者深深的地下，利用上面的海水或者岩層來屏蔽其他的宇宙粒子，只讓中微子能夠穿透進來。另一方面就是要足夠大，採用守株待兔的方式，在數以億億計穿過探測器的中微子中，極其偶然地會有一箇中微子幸運地撞上水中的一個原子核或者電子。

圖1 由一串串探測模塊組成的中微子探測陣列，藍色光錐表示謬子中微子在深海環境中產生的切倫科夫光信號

（圖片來源：作者團隊自制）

當能量很大的中微子擊中到水中的物質時，就會將自己的能量轉移給帶電粒子。這些帶電粒子在水中的速度就超過了光在水中的速度（光在水中的傳播速度只有真空中的大約75%），從而發出一種夢幻般藍色的輝光，也就是所謂的切倫科夫光。就好像一架飛機在空氣中飛行，當它的速度超過聲音在空氣中的速度時，會產生音爆一樣。

這種沿着中微子初始方向產生的藍光，就會形成一個錐形的波陣面（如圖1所示），就如同快艇超過水波速度時在船尾形成的V形尾跡。那麼現在要做的就是探測這些閃光。在深海的致暗環境中，要探測這樣微弱的光，就需要採用對這些光極其敏感的光眼睛，也就是光電倍增管來對其進行捕捉。而光電倍增管的工作原理就像是反向運作的燈泡，燈泡利用電來發光，光電倍增管則通過接收光信號來產生電脈衝信號。所獲得電脈衝信號的強弱直接反映了粒子能量大小，而根據不同位置所接收到的信號的先後，可以立體地重建出中微子的來源方向。

圖2 裝載着光電倍增管的光電探測模塊，一個個地排布在串上

（圖片來源：作者團隊自制）

爲了迎接我們遠道而來的信使，國內外科學家躍躍欲試，中山大學、高能所、上海交大等團隊紛紛提出了各自的方案。中大團隊提議以圖2所示光眼爲基礎單元，在數千米的深海中，編織一個巨大的光電探測網來對由中微子而來的輝光進行探測，實驗名稱由此而來——“百川”（英文名NEON）。這個網中鑲嵌着的一個個玻璃眼睛，而這些玻璃光眼中密封着光電倍增管。在深海中，除了來自於宇宙帶電粒子碰撞大氣層產生的大氣中微子會干擾我們對來自遠方的中微子的判斷之外，還有來自海水中具有放射性的鉀元素所輻射的光子對探測造成困擾。爲了儘可能多地接收到這些藍色閃光，並且屏蔽額外的來自各個方向的背景光子，我們用較小的3寸大小的光電倍增管將玻璃球填滿，從而使每一個探測球獲得最大的接光面積，並且具有較好的分辨光子方向的能力，如圖2所示。

我們當前的研究表明，如果在中國南海的建設10立方公里的中微子望遠鏡——百川，我們將對高能中微子具有極佳的靈敏度，可以把鉀元素的輻射進行很好的排除，同時作爲靠近赤道的探測實驗，對全天的中微子都具有較好的探測效率，將在國際上處於領先地位（如圖3所示）。

圖3 NEON實驗的靈敏度曲線與當前國際實驗的對比

（圖片來源：參考文獻1）

大多數的中微子都是宇宙大爆炸的遺留物，並且已經悄無聲息地在宇宙中穿行了130億年。誕生於恆星以及其他天體的中微子，相對還是比較年輕的。在百川的網中，我們相信我們將會和這些攜帶着很多原始的信息走了很遠的距離的中微子相遇，通過它們我們將更好地認識這個宇宙，完善我們對這個世界的認知。

參考文獻：

1. Huiming Zhang, Yudong Cui, Yunlei Huang, Sujie Lin, Yihan Liu, and Zijian Qiu et al. A proposed deep sea Neutrino Observatory in the Nanhai. Astropart. Phys., 171:103123, 2025.

出品：科普中國

作者：楊莉莉（中山大學物理與天文學院）

監製：中國科普博覽