中微子追踪史：从“不可能”到宏大探测装置
超级神冈中微子探测器曾在灾难性的连锁内爆中损失了约6600个镶嵌在墙壁上的光电倍增管，随后进行了重建。图中为2006年，该观测站正在重新注入超纯水。
东京大学宇宙线研究所神冈观测站
引言
七十年前，物理学家克莱德·考恩和弗雷德里克·莱因斯将一个定制的10吨重探测器，用厚厚的铅墙和湿沙袋围护起来，放置在南卡罗来纳州萨凡纳河工厂一座强大的核反应堆旁。他们将实验命名为“波尔代热斯计划”，顾名思义，旨在捕捉“鬼魂”。
更早的二十五年前，物理学家们一直困惑于一种名为β衰变的放射性过程中，能量为何似乎有所丢失。有什么东西消失了，而已知的物理学无法解释。随后在1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出了一个激进的解决方案：一种几乎无法探测的粒子正悄无声息地带走了丢失的能量。“我做了一件可怕的事，”泡利告诉一位朋友，“我假设了一种无法被探测到的粒子。”这种粒子后来被称为中微子。由于几乎无质量且不带电荷，这些粒子能几乎不受阻碍地穿透地球及其上的一切，包括我们的身体。
考恩和莱因斯在1956年初部署的这个庞然大物，旨在找到泡利认为不可能的东西。那年六月，这两位来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家给泡利发了一封电报：“我们很高兴地通知您，我们已明确探测到中微子。”
随后，人们的注意力转向了一个更广泛的问题：如果核反应产生中微子，我们能否利用它们来窥视包括太阳在内的恒星内部的核焰？这带来了巨大的挑战：如果这些粒子能几乎不被察觉地穿透一切，你又如何能捕捉到从遥远恒星射来的粒子呢？人们的猜测是，要探测到这种极少与物质碰撞的粒子，就需要海量的物质供其碰撞。而且，这种物质还必须屏蔽其他形式辐射的噪声。因此，科学家们想出的答案是建造科学史上一些最大、最深、最奇特的实验陷阱……然后等待。
在20世纪60年代，雷蒙德·戴维斯 Jr. 及其在布鲁克海文国家实验室的同事将一个大罐子放置在南达科他州霍姆斯特克矿地下1.5公里处，并注入了近40万升名为全氯乙烯的氯基干洗液。在极少数情况下，当经过的中微子击中一个氯原子核时，会转变为一种可被探测和计数的放射性氩形式。这项持续了25年的实验发现，来自太阳的中微子数量仅为理论模型预测的三分之一。这被称为太阳中微子问题。
几十年过去了，这个问题才被解决——通过更大规模的实验。在日本神冈矿的深处，小柴昌俊建造了一种名为“神冈”的不同类型探测器，它使用了300万升超纯水。在这种设置中，中微子偶尔会与水中的原子核相互作用。这种相互作用会产生一个高速运动的电子，从而发出一道被称为切伦科夫光的闪光。这道光会被探测器捕捉到。
神冈探测器和的小柴昌俊确认了戴维斯发现的短缺，而第二个、甚至更大的探测器——超级神冈，以及加拿大的萨德伯里中微子观测站，则解释了这一差异。中微子有三种不同的“味”（电子型、μ子型和τ子型），并且可以在它们之间振荡或转换。要做到这一点，中微子必须具有质量，而这在物理定律中（至今仍然）是无法预测的。
更新的中微子探测器延续了宏大构想和惊人结果的传统。位于阿蒙森-斯科特南极站地下的冰立方中微子观测站使用南极冰层代替水。它绘制了一幅完全由中微子构成的银河系地图，并将这些高能宇宙粒子追溯到由超大质量黑洞驱动的活动星系。在地中海海底，立方千米中微子望远镜 (KM3NET) 探测到了有记录以来能量最高的宇宙中微子，其来源仍然未知。
中微子振荡及其引发的无数谜团，推动了最新一波探测器的发展。中国的江门地下中微子观测站 (JUNO) 于2025年启动；2026年6月公布的初步数据提供了迄今报告的最精确的中微子振荡测量结果。日本的超级神冈 和位于美国中西部的深层地下中微子实验 (DUNE) 预计都将在本十年末开始运行。
得益于这些及其他大胆的实验，泡利坚信永远无法捕捉的粒子正在慢慢揭示其秘密。七十年来，发现的秘诀从未改变：大胆构想，深入地下，并召唤耐心。
在南达科他州首次探测到太阳中微子的霍姆斯特克探测器，其巨大的储罐使雷蒙德·戴维斯 Jr. 显得十分渺小。要为中微子建造足够大的陷阱，需要一个容量相当于五分之一个奥运会标准游泳池、装满富含氯的干洗液、并埋藏在地下近1.5公里深处的储罐。
布鲁克海文国家实验室/科学图片库
穿过超级神冈探测器的不同种类中微子，会在探测器壁上留下特有的图案。这里我们看到一个μ子型中微子（上）和一个电子型中微子（下）：粒子物理标准模型中的两种基本粒子。
穿过超级神冈探测器的不同种类中微子，会在探测器壁上留下特有的图案。这里我们看到一个μ子型中微子（左）和一个电子型中微子（右）：粒子物理标准模型中的两种基本粒子。
超级神冈合作组/科学图片库
位于加拿大安大略省克莱顿矿地下2.1公里处的萨德伯里中微子观测站，其探测器（上图）充满了“重水”，即用氘取代了氢原子的水。其发现为中微子可以在不同“味”之间改变或“振荡”提供了证据。下图是探测器内部的广角视图，中心是一个直径12米的丙烯酸球体，容纳了1000吨超纯重水。
位于加拿大安大略省克莱顿矿地下2.1公里处的萨德伯里中微子观测站，其探测器（左图）充满了“重水”，即用氘取代了氢原子的水。其发现为中微子可以在不同“味”之间改变或“振荡”提供了证据。右图是探测器内部的广角视图，中心是一个直径12米的丙烯酸球体，容纳了1000吨超纯重水。
SNO供图
SNO+ 在克莱顿矿接替了萨德伯里中微子观测站，并改造利用了其前身的部分设备。但其中填充的不是重水，而是线性烷基苯（LAB），这种物质在商业上用于制造洗洁精。LAB产生的信号比重水亮50倍。从顶部悬挂下来的是该实验的负责人阿特·麦克唐纳。
沃尔克·斯特格/科学图片库
这些篮球大小的数字光学模块（DOM）是南极冰立方中微子观测站使用的主要传感器。科学家们将超过5000个DOM像珍珠项链一样串在电缆上，然后利用热水喷射将它们埋入南极冰层下深达2.5公里处。在这里，冰层扮演着其他探测器中液体的角色——中微子碰撞产生高速电子，随后的闪光就会被DOM捕捉到。
吉姆·豪根，冰立方/国家科学基金会（左）；马克·克拉斯伯格，冰立方/国家科学基金会
此数据可视化图像展示了一个中微子在冰立方中微子观测站埋入冰层的DOM串中引发的涟漪。这个发生于2010年的事件，对应一个由银河系内源产生的高能中微子。每个球体的大小对应每个DOM探测到的信号亮度，颜色则指示到达时间——红色最早，蓝色最晚。
冰立方合作组
工作人员正在为仍在建设中的水下KM3NET中微子探测器部署数字光学监测器。近20万个光学传感器将被固定在距离西西里岛海岸约3500米深的地中海海底，以及在法国土伦附近设置的第二个较小的阵列中。这些传感器将探测由中微子与周围水或岩石相互作用产生的次级粒子所释放的切伦科夫光。
KM3NET供图
中国的江门地下中微子观测站（JUNO），图为2023年建设中的景象，是目前世界上最大的中微子探测器。它于2025年8月开始收集数据；其主要目标之一是确定每种味的中微子究竟有多重这一悬而未决的谜题。
新华社
深层地下中微子实验（DUNE）将产生数万亿个中微子，将它们通过地球发射到1300公里外，并在它们与两个探测器相互作用时进行研究——一个“近端”探测器位于费米国家加速器实验室地下60米处，另一个“远端”探测器位于南达科他州莱德市桑福德地下研究设施地下1.5公里处（上图）。名为ProtoDUNE的探测器缩小版原型（下图）正在欧洲核子研究中心（CERN）进行测试，该实验室位于瑞士与法国交界处。
深层地下中微子实验（DUNE）将产生数万亿个中微子，将它们通过地球发射到1300公里外，并在它们与两个探测器相互作用时进行研究——一个“近端”探测器位于费米国家加速器实验室地下60米处，另一个“远端”探测器位于南达科他州莱德市桑福德地下研究设施地下1.5公里处（左图）。名为ProtoDUNE的探测器缩小版原型（右图）正在欧洲核子研究中心（CERN）进行测试，该实验室位于瑞士与法国交界处。
马修·卡普斯特，桑福德地下研究设施（左）；马克西米利安·布里斯/欧洲核子研究中心
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