一周科技热词丨每秒万亿个穿过你的身体,诺奖为何垂青这个“幽灵粒子”

2026-10-11 13:50:17 来源: 科技日报 点击数:

科技日报记者 陆成宽

大家好,我是科技日报热词君。

浩瀚宇宙中,有一种粒子,每秒钟都有万亿个穿过你的身体,你却浑然不觉。它们来去无踪,能轻易穿透地球,宛如幽灵一般。

10月6日,2026年诺贝尔物理学奖揭晓,这个“幽灵粒子”再次成为焦点。美国科学家弗朗西斯·哈尔岑一个人拿走了1200万瑞典克朗奖金,凭的就是他在冰立方中微子天文台里的关键贡献,以及发现了来自天体物理过程的高能中微子。

诺奖为啥垂青这个“看不见”的粒子?它究竟藏着多少秘密?今天,咱们就来聊聊这位宇宙“隐形信使”——中微子。

每秒650亿个,穿过你的指甲盖

中微子是什么?它是组成宇宙的基本粒子之一,不带电,质量极小,几乎不与物质发生反应。

太阳每时每刻都在产生海量中微子。它们几乎无处不在,每一秒大约有650亿个太阳中微子穿过你的指甲盖,就像风穿过纱窗,不留任何痕迹。

 

中微子有三副面孔:电子中微子、缪中微子和陶中微子。更神奇的是,它们在飞行中会“变脸”,从一种类型可以变成另一种类型,这叫中微子振荡。

这事曾让物理学界头疼几十年。按太阳内部核聚变理论,电子中微子本该很多,但实际探测到的只有理论预言的三分之一,这就是“太阳中微子失踪之谜”。

后来科学家发现,不是电子中微子丢了,而是它们在来地球的路上变成了其他类型。

“变脸”背后,藏着一个大秘密

中微子振荡听起来有点魔幻,但它有个硬性前提:中微子得能“变脸”,而“变脸”要求它们背后的质量不能全一样。换句话说,中微子必须有质量,而且至少得有两种不一样的质量。

问题来了。粒子物理的最小标准模型,直接把中微子当成无质量粒子。可实验明明测到了振荡,这说明标准模型还不够用,得给它补一块新拼图。

这块新拼图要回答的是:标准模型说中微子质量为零,实验却说不是零,那么这个非零质量到底从哪来?更进一步,它还要解释:最重中微子的质量都不到电子质量的百万分之一,为什么中微子轻得离谱。

正因如此,全球物理学家都在盯着中微子,它可能成为通往新物理的那把钥匙。

抓它,就得“守株待兔” 

中微子只参与弱相互作用,与原子核发生反应的概率低得离谱。要抓住它,没有捷径,只能把探测器做得足够大、运行得足够久,用规模和时间,去等一次极其偶然的碰撞。这思路,说白了就是现代版的“守株待兔”。

冰立方中微子天文台就是这么干的。它把南极一立方公里的冰变成探测器,冰下埋着5160个光传感器,最深的达到2450米。

当年,哈尔岑提出这个构想时,同事觉得他疯了,没人知道1立方公里够不够大。但哈尔岑坚持下来,用高压热水在冰下融出86个深孔,把传感器一串一串放进去。他形容这些传感器是“反向灯泡”:灯泡把电变成光,它们把光变成电信号。

原理很优雅:中微子如果撞上冰中的原子核,会产生高速带电粒子,在冰里发出一道淡蓝色的切伦科夫光。传感器捕捉这道蓝光,科学家就能反推中微子的方向和能量。

2013年,冰立方首次获得天体物理中微子证据。2017年,它成功定位到一个可能的宇宙源,人类第一次用中微子“看”清了宇宙加速器。

中国正在织一张中微子探测网

如果说冰立方是“宇宙望远镜”,那么我国广东的江门中微子实验(JUNO)就是一台“精密秤”。

它位于地下700米,用2万吨液体闪烁体和数万只光电倍增管,主要测定中微子质量顺序。说白了,就是搞清楚三种中微子谁轻谁重。

2025年运行后,JUNO只用59天数据,就把两个振荡参数的精度,相较过去数十年的国际结果,提高了1.6倍;到2026年6月,它进一步报告质量顺序更倾向于正序。

但中国的布局不止于此。冰立方是上一代中微子望远镜,下一代正在更广阔的水域中铺开。

中国科学院高能物理研究所牵头的中俄联合项目“高能水下中微子望远镜”,今年已在贝加尔湖完成样串投放,预研项目“海星计划”也在我国海域完成首次海试,瞄准的是30立方公里级的下一代阵列。

另一条路线也在推进。上海交通大学牵头建设的海铃计划,把探测器阵列沉入南海3500米深的海底,海水比南极冰层更均匀,阵列可以布得更密,锁定中微子源头时角度更准。一期建成后,它将成为首个临近赤道的中微子望远镜。

从测量中微子质量顺序,到捕捉宇宙深处的信使,中国科学家正在全球中微子研究版图上写下自己的坐标。

中微子还能干什么

中微子不只是天文信使。

核反应堆运行时会产生中微子,监测它们,可以远程判断反应堆状态,助力核不扩散;地球内部放射性衰变也会产生中微子,研究“地球中微子”,能帮我们了解地热到底从哪来;超新星爆发时,中微子甚至可能比光更早抵达,提前发出宇宙“爆炸预警”。

更深层的问题是:中微子为什么这么轻?它是自己的反粒子吗?它有没有打破物质和反物质对称?这些答案,可能解释宇宙为什么由物质构成,而不是一片虚空。

中微子很轻,轻到几乎不存在;中微子又很重,重到每一次发现都在改写物理学。从南极冰层到南海深处,再到贝加尔湖,人类正在把中微子望远镜建到地球各个角落。围绕这个“幽灵粒子”,新世界的大门正在打开。

责任编辑:李梦一
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