世界最大中微子探测器公布首批突破性实验结果

2025年11月19日至20日，江门地下中微子实验（JUNO）团队揭晓了该实验的首批物理研究结果——其发布速度远超许多科学家的预期。凭借不足两个月的有效运行时间，JUNO对两个基本中微子参数的测量精度，已经超越了过去几十年全球实验积累的纪录。

JUNO是什么，以及它为何重要

JUNO是一个下一代大型液体闪烁体探测器，位于广东省江门市花岗岩层下约700米处。其核心部分是一个直径35.4米的有机玻璃球，装载了约2万吨超纯闪烁液，由安装在44米深水池内的约4万至4.5万只光电倍增管（PMT）进行观测，水池则起到屏蔽作用并用于缪子（muon）打靶。经过十余年的设计和建设，该仪器于2025年8月26日正式开始采集物理数据。

中微子是著名的“幽灵粒子”：每秒钟有数万亿个中微子穿过我们每个人的身体，却几乎从不发生相互作用。这种罕见性正是需要像JUNO这样巨大的探测器的原因。当中微子在闪烁液中发生相互作用时，会产生微弱的光闪烁；灵敏的PMT捕捉到这些光，让物理学家能够重建中微子的能量和身份。JUNO的规模和定制的光探测系统使其成为全球对核反应堆及其他来源产生的低能中微子最灵敏的设施。

早期收获：59天后的高精度

合作组分析了2025年8月26日至11月2日期间采集的数据（有效数据集为59天），并报告了对太阳混合角（θ12）和较小的太阳质量平方差（Δm2_21）的测量结果。利用这段时间内收集到的约2400个反应堆反中微子事例，JUNO测得的精度比此前这些参数的全球合并测量结果提高了约1.6倍。

这两个数值是三代中微子振荡框架的基石：θ12决定了电子中微子在低能下与其他代中微子混合的程度，而Δm2_21则设定了由两种中微子质量平方之差驱动的振荡频率。提高这些参数的精度将增强后续所有中微子特性测试的准确性，从质量顺序探测到对太阳和超新星中微子的研究皆是如此。

持续存在的张力：太阳与反应堆结果之争

JUNO早期分析中一个引人注目的方面是，它证实了太阳中微子实验推导出的θ12和Δm2_21值与核反应堆中微子实验得到的值之间存在轻微但持续的偏差（约1.5个标准差）。这种“太阳-反应堆张力”在过去几年的全球拟合中已经显现，但显著性较低；JUNO的高精度反应堆测量重现了这一差异，而非将其抹平。

这非常重要，因为如果随着数据的改进，这种张力进一步加剧，它可能预示着超出三代振荡模型的物理学——例如，非标准中微子相互作用、奇异的惰性态，或是太阳模型中微妙的问题。或者，它可能指向一种或多种实验方法中被低估的系统不确定性。JUNO拥有解决这一歧义的独特优势，因为该探测器将在同一台仪器内并使用相同的定标系统测量反应堆中微子和太阳中微子。

为什么中微子是通往新物理的门户

当中微子振荡暗示其具有质量时，中微子就已经迫使人们重新思考标准模型——这是标准模型原始表述中未曾预言的事实。与其他费米子相比，中微子的质量和混合模式非常独特，可能蕴含着关于高能标下质量生成机制的线索。精确测定振荡参数为观察偏离三代框架的细微偏差打开了一扇窗，这些偏差可能预示着新力、新粒子，或与宇宙物质-反物质不对称性的联系。

JUNO的长期计划远不止于测定最初的两个参数。合作组的目标是确定中微子质量顺序（即第三种质量态是比另外两种更重还是更轻），将许多振荡参数的精度推向亚百分比量级，探测来自下一次邻近超新星爆发的中微子，测量探测地球内部的地球中微子，并寻找直接打破标准模型的罕见过程。

技术成就与规模

取得这些早期成果需要的不仅仅是一个大罐子。JUNO整合了几项技术突破：一种高度透明、超净的闪烁液，使光线可以远距离传播而不发生散射；旨在捕捉微弱闪烁的大型高效率PMT；以及一个全面的定标系统，用于在整个35米球体范围内精确映射探测器响应。这些系统共同协作，使科学家能够从背景中分离出真实的中微子事例，并以提取振荡效应所需的精细分辨率测量能量。

接下来的计划

• 质量顺序。 确定三代中微子质量态是按“正常”还是“倒置”排列是JUNO的首要目标，这需要几年在全灵敏度下的数据积累。
• JUNO内部的太阳中微子。 使用同一探测器同时测量反应堆和太阳中微子，将使JUNO能够测试观察到的太阳-反应堆张力究竟是实验偏差还是真正的物理反常。
• 更广泛的搜索。 随着曝光量的增加，JUNO将探测与标准振荡图景的偏差，寻找特定质量标度的惰性中微子，并随时准备捕捉银河系超新星爆发产生的中微子爆发（如果发生的话）。

该领域将如何反应

极少有实验能在第一天就改写教科书，但JUNO的初步表现正是该领域希望看到的：探测器正在按设计运行，并立即交付了世界领先的精度。对太阳-反应堆张力的确认将引发严谨的审查和新的交叉验证，并将激发理论学家重新审视可能产生此类效应的模型。在未来的几年里，JUNO持续产出的高质量数据要么会消除这种张力，要么会将其推向需要新物理学解释的、具有统计学显著意义的反常。