中微子是亚原子粒子家族中的怪异成员。它们无处不在，从太阳、深空和地球倾泻而下，每秒数万亿次地穿过我们的身体。这些粒子非常微小，几乎不与任何事物相互作用，这使得它们极其难以捉摸和研究。此外，尽管中微子有不同的类型，或称“味道”，但它们在接近光速传播时可以从一种类型转换成另一种类型。科学家们认为，这些奇怪的行为可能指向关于宇宙历史和物理学未来的深刻见解。
经过近六年的挖掘，一个巨大的中微子实验室正在中国南方连绵起伏的丘陵中成形，距离香港以西约150公里。江门中微子实验室（JUNO）将成为世界上最强大的中微子实验之一，与日本的超级神冈探测器（Hyper-K）和美国的深度地下中微子实验（DUNE）并驾齐驱。JUNO将利用附近的两个核电站作为中微子源，旨在更多地了解这些粒子，并回答一个基本问题：三种已知类型的中微子的质量彼此之间如何比较？尽管研究人员知道这些粒子具有少量质量，但确切的量仍然未知。现有证据表明，其中两种“味道”的质量接近，而第三种则不同。但科学家们不知道这第三种类型是比其他类型更重还是更轻：前者被称为“正质量排序”，后者被称为“反质量排序”。
费米国家加速器实验室（位于伊利诺伊州巴达维亚）的理论物理学家约瑟夫·莱肯表示，中微子的质量排序是研究人员需要确定的关键参数。“事实上，各种其他事情都取决于这个问题的答案，”他补充道。例如，这个答案可以帮助科学家们更好地估计宇宙中中微子的总质量，并确定它们如何影响了宇宙的形成和星系的分布。即使中微子是所有已知物质粒子中最轻的，但太空中存在如此多的中微子，它们必定对普通物质的分布方式产生了巨大影响。了解中微子质量的排序方式也可能有助于解释为什么这些粒子根本具有质量，这与早期的预测相矛盾。
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超过650名科学家（其中近一半来自中国境外）一直在参与JUNO项目，该项目最初于2008年提出。今年晚些时候或2021年初，研究人员将开始组装该实验的13层楼高的球形探测器。内部将被总共43,000个光探测光电倍增管覆盖，并填充20,000吨特殊配方的液体。在地下700米处，偶尔，一个电子反中微子（核反应堆产生的特定类型的粒子）会撞击一个质子，并在液体中引发反应，这将导致两次闪光，间隔不到一毫秒。“这种小小的‘巧合’将被视为反应堆中微子信号，”加州大学尔湾分校的粒子物理学家胡安·佩德罗·奥乔亚-里科克斯说，他共同领导JUNO的两个光电倍增管系统之一。
中国科学院高能物理研究所（项目的主要机构）的JUNO副发言人曹俊表示，当中微子从53公里外的核电站到达探测器时，只有约30%的中微子会保持其原始身份。其余的将转换为其他“味道”。该观测站将能够非常精确地测量这个百分比。
一旦投入运行，JUNO预计每天将看到大约60个这样的信号。然而，为了对质量排序问题有一个具有统计说服力的答案，科学家们需要100,000个信号——这意味着该实验必须运行数年才能找到答案。与此同时，JUNO将探测和研究来自其他来源的中微子，包括每天来自太阳的10到1,000个粒子，以及如果超新星在距离地球一定距离爆炸，则会突然涌入数千个粒子。
JUNO还可以捕捉来自地球表面以下的地球中微子，那里的放射性元素（如铀238和钍232）会经历自然衰变。马里兰大学的地质学家威廉·麦克多诺表示，到目前为止，研究地球中微子是了解地下还剩下多少化学能量来驱动我们星球的唯一有效方法，他从早期就参与了该实验。“JUNO在这方面是一个游戏规则改变者，”他说。尽管日本、欧洲和加拿大的所有现有探测器加起来每年可以看到约20个事件，但仅JUNO就应该每年探测到400多个地球中微子。
JUNO发言人兼中科院高能物理研究所所长王贻芳表示，目前该实验正在处理洪水问题，这已将建设工期推迟了两年。工程师每天需要抽出12,000吨地下水，但水位已显着下降。在建造地下实验室时遇到洪水问题并不罕见——安大略省萨德伯里中微子天文台也遇到了这个问题。王贻芳相信，这个问题将在建设完成之前得到解决。
王贻芳表示，JUNO应该在2022年末或2023年初投入运行。在本十年末，DUNE和Hyper-K也将加入进来。DUNE将使用基于加速器的中微子，能够以最高的精度测量粒子的质量排序。它还将研究一个关键参数，称为CP破坏，这是衡量中微子与其反物质对应物行为差异程度的指标。这项测量可能揭示这些微小粒子是否是宇宙大部分由物质组成的原因之一。“JUNO关于中微子质量排序的结果将有助于DUNE尽可能最好地发现和测量CP破坏，”莱肯说。前一个实验以及其他正在开发中的中微子观测站也可能揭示科学家们尚未预测到的东西。中微子研究的历史表明，这些粒子经常表现出意想不到的行为，莱肯说。“我怀疑这些实验的结合将会产生惊喜，”他补充道。
编者注（9/24/20）：此故事在发布后经过编辑，以更正工程师每天必须从实验地点抽出的水量数字。它也已更新，以明确两个发电厂与实验探测器之间的距离。