地下 700 米的 “幽灵猎手”：Juno 中微子观测站开启宇宙规律探索

2025 年 8 月 26 日，广东江门地下 700 米的花岗岩深处，一个直径 35.4 米的巨型有机玻璃球完成了最后一滴液体闪烁体的灌注。当 2 万吨特制探测介质精准填满这个 水晶球 的瞬间，人类最灵敏的中微子探测器 —— 江门中微子实验（JUNO）正式启动数据采集。这个历经十余年建设的 地下实验室，将以前所未有的精度追踪宇宙中最神秘的基本粒子，揭开中微子质量顺序的终极谜题，为粒子物理和宇宙学研究打开全新窗口。

毫米级精度的地下工程奇迹

JUNO 的核心探测装置堪称现代工程学的巅峰之作。这个悬浮在 44 米深水池中央的 科学巨眼，由直径 41.1 米的不锈钢网壳支撑着世界最大的单体有机玻璃球，球内灌满 2 万吨液体闪烁体，周围环绕着 45000 只光电倍增管 —— 相当于每平方米布置 1.5 只 眼睛，将闪烁光的探测效率提升至 78% 的历史新高。更令人惊叹的是，这个按比例薄如鸡蛋壳的有机玻璃球（直径 35.4 米却仅 12 厘米厚），需要长期承受 3000 吨的浮力，工程团队通过特殊设计的不锈钢节点和碟簧结构，将受力误差控制在微米级别。

灌注过程本身就是一场精密的科学实验。项目团队先在 45 天内完成 6 万吨超纯水灌注，将内外玻璃球的液位差控制在厘米量级，流量偏差不超过 0.5%。随后的半年里，他们将有机玻璃球内的纯水置换为液体闪烁体，全程保持介质的超高洁净度 —— 其天然放射性本底中铀和钍的含量低于万亿分之一，相当于在标准游泳池中只允许存在一粒盐的杂质。这种极致的纯净度要求，源于中微子探测的特殊性：每捕捉一个中微子信号，都相当于在撒哈拉沙漠中找到特定的一粒沙。

选址决策同样蕴含科学智慧。JUNO 位于阳江和台山核电站的中轴线上，距两座核电站均约 53 公里，这个距离经过精确计算，能最大化捕捉反应堆产生的反电子中微子在传播过程中的振荡信号。地下 700 米的深度则有效屏蔽了 99.9% 的宇宙线干扰，配合外围的水切伦科夫探测器，形成了多层防护的 静音室，让中微子与探测介质的微弱相互作用得以显现。

破解中微子质量的 排序密码

中微子被称为 宇宙幽灵，它们不带电荷，质量极小，几乎不与其他物质发生相互作用，却在宇宙演化、恒星发光、核反应等过程中扮演关键角色。现代物理学的重大谜题之一，就是这三种已知中微子的质量究竟如何排序 —— 是 正常层级 还是 倒置层级？这个看似简单的排序问题，直接关系到粒子物理标准模型的完善，甚至可能揭示新物理规律的线索。

JUNO 的首要科学目标就是破解这个谜题。通过精确测量核电站产生的中微子能谱变化，科学家能追踪中微子在 53 公里传播距离中的振荡模式。实验的关键武器是其前所未有的能量分辨率 —— 达到 2.95%@1MeV，比现有国际最好水平提升一倍。这种 高清成像 能力让研究团队能区分不同质量排序下的细微能谱差异，就像通过显微镜观察纳米级的结构变化。

探测原理建立在精妙的粒子相互作用之上：当反电子中微子与液体闪烁体中的质子相遇，会发生反贝塔衰变，产生正电子和中子。正电子瞬间湮灭释放的 快信号 与中子慢化后被捕获产生的 慢信号，会被周围的光电倍增管精准记录，通过分析这两个信号的时间差和能量分布，科学家就能重建中微子的运动轨迹和能量特征。试运行期间获取的首批数据显示，所有关键性能指标均达到或超越设计预期，为高质量科学产出奠定了基础。

除了质量排序，JUNO 还将开展多项前沿研究：捕捉超新星爆发产生的中微子洪流，探索太阳中微子的反常振荡，研究地球内部放射性元素产生的中微子，甚至寻找暗物质与中微子的相互作用痕迹。这个 多面手 探测器的 30 年运行计划，将为粒子物理和天体物理研究提供持续的数据支撑。

大科学装置的时间哲学

从 2013 年立项到 2025 年正式运行，JUNO 走过了十二年建设历程，这种时间尺度在基础科学研究中并不罕见。中国科学院院士、JUNO 首席科学家王贻芳曾强调：大科学装置对基础科学研究至关重要，它们需要耐心和长期投入。 这种耐心体现在每一个技术细节中 —— 有机玻璃球的 263 块面板经过特殊烘弯工艺处理，2 公里长的粘接缝采用本体聚合技术实现原子级结合，四万多只光电倍增管逐一经过放射性本底筛选。

项目建设过程中攻克了一系列世界级难题：超大跨度地下洞室在富水条件下的围岩控制技术，将变形量控制在设计范围的 1/3；液体闪烁体的国产化制备突破国外技术垄断，性能达到国际领先水平；创新的防磁线圈设计将磁场干扰降至地球磁场的千分之一以下。这些技术突破不仅服务于中微子探测，更推动了材料科学、精密制造、辐射防护等领域的进步。

JUNO 的故事延续了中国粒子物理研究的跨越式发展。从大亚湾中微子实验发现新的振荡模式，到 JUNO 引领下一代中微子物理研究，中国在这一基础科学领域已从跟跑者成长为领跑者。实验采用的开放合作模式吸引了全球 26 个国家和地区的 70 多个科研机构参与，成为国际粒子物理研究的重要平台。

当地下实验室的灯光照亮这个巨型 水晶球，人类向宇宙基本规律的探索又迈出坚实一步。JUNO 的 2 万吨液体闪烁体中，每一个分子都在等待与中微子的邂逅 —— 那些来自太阳核心、超新星遗迹甚至宇宙诞生初期的 幽灵粒子，将在这里诉说宇宙的秘密。正如科学家所言，这个深埋地下的实验装置，不仅是一台探测器，更是人类用理性之光对抗无知黑暗的象征，证明在追求真理的道路上，最精密的仪器和最持久的耐心同样重要。