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想象一下，有人塞给你三颗不同口味的口香糖。那人神秘地说：“这三颗里有一颗是比其他的更重，一颗是比其他的更轻，但究竟谁是谁呢？” 这任务听着简单，做起来简直要命：首先，这些口香糖轻得几乎没有质量；其次，它们有时还会“交换味道”；哦对了，当你尝试伸手去抓，大多数时候它们居然能轻易穿过你的手心溜走。
这就是物理学家们在试着对付被称为“幽灵亚原子粒子”的中微子时的尴尬处境。对于这些微小到过分的粒子，理论上通常认为有着三种类型或是“口味”（学术上叫“味”），它们像洪水一样淹没了整个宇宙，却性格孤僻，基本不跟咱们熟悉的普通物质打交道。这种“社恐”属性使得即便中微子存量极大，想研究它们也难如登天。
然而，能否攻克中微子到底有多重、以及谁最重的问题，关系到了物理学家的“颜面”。 他们呕心沥血建立了一套描述所有自然粒子和作用力的“标准模型”，白纸黑字写着：中微子应该完全没有质量。结果观测数据无情打脸：中微子有质量，事实上这是一个非常小的量。这就成了物理学规则里一个让人恼羞成怒的关键例外，暗示着有其他更合理的理论存在。如果你想搞懂宇宙是怎么运转的，当务之急是把这个“Bug”给修复。
好消息是，物理学家们最近进展神速。他们放话，到2030很有机会把这中微子三兄弟的质量排清楚。西北大学 (Northwestern University) 的理论粒子物理学家安德烈·德·古维亚 (André de Gouvêa) 信心满满地表示：“我觉得到时候无论结果如何，我们都能拿到强有力的证据。”
在过去的 35 年里，全世界的科学家们攒下的数据，终于让我们对中微子的平均质量有了越来越精准的估算（图中的“工”字形误差棒展示了每次测量的误差范围）。最新的测量结果（内插的小图）中误差范围已经缩得非常窄了，而且这个数值已经无限逼近于零——至少比电子还要轻上 50 万倍。图片来源：卡尔斯鲁厄氚中微子实验团队（译者注：这幅图的横轴表示中微子质量的平方，负数值来源于实验仪器的误差）
无处不在的“隐形人”
别看中微子很害羞，它们其实无处不在：除了光子（光的能量单元）之外，中微子就是宇宙中数量排第二的大户。
哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿圭列斯 (Carlos Argüelles) 吐槽道：“这就很尴尬了，对吧？我们居然对宇宙中数量第二多的存在几乎一无所知。”
中微子的来源五花八门：太阳和其他恒星内部的核聚变、划破大气的宇宙射线，以及各种宇宙级或地球级的反应。连咱们自己的核电站和粒子加速器也在源源不断地生产它们。 据估计，每秒钟都有几百亿个中微子穿过每一平方厘米的地球表面，但没有一个人会感受到一丝异样。（译者注：没错，就在你读这句话的时候，它们正大摇大摆地穿透地球和你，而你连个喷嚏都不会打，完全感觉不到它们的存在。）
中微子已经困扰了物理学界快100年了。早在上世纪30年代，物理学家为了解释放射性衰变里一些“不科学”的现象，强行在脑子里“发明”了这种粒子来救场。人类第一次直接探测到它们行踪的实验发表于1956年。在那会儿，科学家还以为它们跟光子一样没有质量。
但在20世纪60到90年代，科学家们吓出一身冷汗：探测器抓到的太阳中微子比预想的少得多，搞得一些人甚至开始担心：“完蛋，我们的太阳是不是要熄火了？” 结果虚惊一场，原来是这帮狡猾的中微子在飞行途中玩起了“变脸”（学术上称为“中微子振荡”），它们在三种不同的味道（学术上称为中微子的“味”）间跳来跳去，导致很多中微子成了探测的漏网之鱼。根据爱因斯坦的相对论，前面的观测结果无不说明，中微子必须有质量，事实正是如此。
“中微子这帮家伙天生就爱不按套路出牌。但正因如此，我们才觉得它们带劲，”阿圭列斯说，“它们最擅长的事，就是干那些物理定律‘明令禁止’的事。”
在神奇的量子世界里，人们认为中微子其实是由三种隐藏的“质量状态”按不同比例勾兑出来的。最终呈现出的结果，就是我们观测到的电子中微子、μ（缪）中微子和τ（陶）中微子。在这三种质量状态里，肯定有一个是最重的，一个是最轻的。
关于它们的“体重排位赛”，目前有两种不同的可能。在被称为“正常”排序（Normal ordering）的情况下， 电子中微子主要是由最轻的那种成分组成的，陶中微子含有最多的大质量状态，而缪中微子夹在中间。然而实际上还有另一种可能，在“颠倒”排序（Inverted ordering）中，电子中微子反而成了由最重成分组成的那个。到底哪种排位顺序是正确的呢？
事实证明，搞清楚“谁比谁重”比准确算出“到底有多重”要容易那么一点点——只要盯着中微子味振荡的细节就能找着答案。话虽如此，即便是这个所谓的“容易”问题，也得砸进好几个几百万美元的大型实验，再搭上物理学家们很多年的时间才行。
中微子的“对号入座”
大多数中微子探测器的工作原理都很一致：捕捉路过的中微子偶然与大量液体分子（例如水）中的某一些发生作用时所释放的闪光。不同“味道”的中微子会产生不同的花纹，比如有的像是在水里划出一道笔直径迹的流星，有的则像炸开了一场小型的烟花。
由于中微子和物质作用的概率比你中彩票头奖还低，而且想完美探测极难，所以研究者们必须得花大量时间积攒“成吨”的数据，直到攒够了能让统计学大佬点头的数量，才敢对他们所看到的现象及其背后暗含的原理给出结论。
有些探测器专门负责“窥视”宇宙射线撞击大气层中分子时产生的中微子。这些家伙有个绝招：物理学家会对比那些从头顶正上方的天空飞进来的中微子，和那些从地球另一端钻进来、纵贯整个地球内部的中微子。
厚厚的大气和坚实的地壳就像是一副巨大的透镜组，会干扰中微子在飞向探测器时振荡的频率。通过比较这两条路经，物理学家就能摸清它们振荡的规律——并再次寄希望于不同质量排序对应的振荡表现也会有所不同。
这些顶尖探测装备包括：世界最大的中微子探测器“冰立方”（IceCube），它把成串的光学探测器顺着深长的钻孔沉入南极万年冰盖之下；还有日本的“超级神冈”探测器（Super-Kamiokande以及正在赶进度、计划 2028 年正式收集数据的“顶级神冈” Hyper-Kamiokande），它们采用巨型人造水槽来守株待兔；甚至还有刚刚正式上岗、专门截获在地中海中穿行中微子的 ORCA 探测器。虽然这些装备各有各的优缺点，看家本事和不确定性也大相径庭，但归根结底，它们折腾这么大阵仗其实都在干同一件事。
这是南极“冰立方”（IceCube）实验的示意图。物理学家们在冰层深处埋下了长长的光学探测器串，专门守株待兔，捕捉那些路过的中微子偶尔撞击产生的微弱闪光。图片来源： ICECUBE / 美国国家科学基金会 (NSF
阿圭列斯乐观地估计，到2030年，这帮实验集结起来的数据应该够咱们很好地解决中微子质量排序问题了。[1]
更绝的是，他建议把这些“大气层实验”的数据跟中国刚建成的江门地下中微子实验（JUNO）的实验结果相对照，后者已经在2025年8月底正式开机了。
JUNO 的主体由在地下深处藏着一个直径35米的巨型塑料球组成，里面灌满了2万吨液体，球面上贴满了光学探测器。它的特殊使命是盯着附近核电站产生的中微子。由于它的中微子来源（核电站而非宇宙射线）和飞行路程（探测器与核电站间仅约50公里）都与众不同，正好能跟大气实验形成互补。阿圭列斯说，把这两组数据一碰，这道困扰人类几十年的“质量排序题”可能在一两年内就能解决。
江门地下中微子实验（JUNO）已于 2025 年 8 月底正式“开机”，它就像埋伏在地下深处的哨兵，时刻“监视”着附近核电站产生的中微子。图中展示的是它 2023 年建设时的壮观景象，大家对它寄予厚望，期待 JUNO 能为中微子质量排序问题提供全新的线索。 图片来源： 邓华 / 新华社 / ALAMY LIVE NEW
这些策略确实不错，德·古维亚点头表示认可，但他觉得（译者注：仅代表受访者观点），更稳妥的答案还要看他参与的那个美国计划——深地中微子实验（DUNE）。
美国的深地中微子实验（DUNE） 打算利用伊利诺伊州费米实验室的粒子加速器人工制造出一股强到离谱的中微子流，然后直接穿透地壳，射向 1300 公里外、位于南达科他州桑福德的一个巨型探测器。既然这帮中微子是人工为实验定制出来的，数量上自然管够，而且科学家对它们的情况更加了解。这些特点给他们带来了巨大的优势。不过，这台大戏得等到 2031 年左右才能正式拉开帷幕
“要是按咱们粒子物理学界的时间单位来算，那也就是一眨眼的事儿，”德·古维亚说道。
到底是正序还是倒序？
到目前为止，江门中微子实验（JUNO）的早期战报结合大气实验的数据，似乎已经在疯狂暗示其中一种结论了。阿圭列斯说：“数据正在对着‘正常顺序’的剧本说悄悄话。”但这对于像阿圭列斯这样的物理学家来说，反倒是个让人有点失望的消息。
理论推算显示，如果真的是“正常顺序”，那就意味着中微子的总重量比预想的还要轻。这会使得测定中微子质量绝对值的工作难度倍增——因为数字越小，想把它精确地“秤”出来就越难。
更糟的是，这还会让其他理论变得很难验证。比如有个大胆的猜想说，中微子其实就是它自己的反粒子。如果基于正常质量排序和更轻的中微子质量，那我们想亲眼见证支撑这个理论的物理现象，发生的概率就会低得令人绝望——阿圭列斯说，将没有人有能力根据任何已知的实验手段证实或是否决这个理论，答案可能得再等上几十年，甚至彻底无法对证。
好在目前悬念还在，阿圭列斯依然在心里默默给“反向排序”加油助威。“那样才更有趣嘛，”他说道。
给“幽灵”称重
与此同时，想要死磕中微子的绝对质量简直是难如登天。“你需要分辨率高到逆天的探测器，”阿圭列斯感慨道。这事儿难到什么程度呢？目前全球只有一台设备能够一战：那就是位于德国卡尔斯鲁厄的“卡尔斯鲁厄氚中微子实验”（KATRIN）。
卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）——这家伙的其中一个部件由于块头实在太大，2006 年从制造厂搬往卡尔斯鲁厄的“老家”时，几乎是贴着街道两旁的墙壁才勉强挤过去的。时至今日，它依然是全球唯一能给中微子称重的实验装置。 图片来源： 卡尔斯鲁厄研究中心
KATRIN 的操作非常硬核：它拿出一瓶“氚”（一种大质量且带放射性的氢同位素），让它自然衰变并释放出一个电子和一个反中微子。实验人员的目标是测量那些能量最高电子的能量，然后就能推算出到底有多少微乎其微的能量被那个看不见的反中微子给偷偷顺走了。有了这个差额，就能算出质量了——毕竟爱因斯坦老人家早就说过，能量和质量其实就是一枚硬币的正反面。而且根据理论，中微子和它的反物质兄弟质量完全一致。
这套方案会产生海量的电子，为了从这堆乱麻里揪出能量最高的那几个，科学家造了一个既庞大又昂贵的真空管道：长 23 米，宽 10 米。这玩意儿简直就是个钢铁猛兽。阿圭列斯评价道：“它大得惊人，复杂得离谱，全世界独此一份，而且简直要到时间尽头才能把它搭起来。”
根据 KATRIN 在 2019 年到 2022 年间攒下的数据，研究员们先试着给出了第一个答案：中微子的平均质量必须低于 0.8eV（电子伏特，粒子物理学家喜欢用能量单位来衡量质量）。又过了几年，在攒了更多数据后的，他们在2025年成功把这个上限砍掉了几乎一半，降到至 0.45eV 以下。这是一个非常小的质量——比电子还要轻上至少 50 万倍！虽然这在技术上已经是了不起的成就了，但搞宇宙学理论的那帮人却在一旁说风凉话：真实的中微子质量恐怕比这还要低得多——可能连 0.1eV 都不到。
“能测出这个结果确实挺让人激动的，”卡尔斯鲁厄理工学院参与该项目的天体粒子物理学家马格努斯·施莱瑟（Magnus Schlösser）说，“当然，如果我们真的把中微子到底多重给彻底解决了，那肯定会更加激动。”
未来的项目建议
如果中微子的质量真的低于0.3eV，那就算是 KATRIN 这样的巨兽也测不了了。所以物理学家们正打算更新玩法，折腾出一些更高端的实验装置。施莱瑟表示：“咱们这行，最不缺的就是脑洞。”
其中一个种子选手叫PROJECT 8 [2]：它的开场白也是“劈开重氢”，但它选择测量电子在磁场里转圈圈时发出的微波辐射。这种法子对中微子质量的感应灵敏度更高。不过，这个项目目前还处于开发阶段，具体啥时候能动工开造，谁心里也没底。
其他的备选方案还包括一个叫KATRIN++的升级版，打算借助改良粒子源和测量更多电子等法子来强行破局。但施莱瑟坦言，这事儿少说也要折腾个几十年。他现在的愿望非常朴实：希望在接下来的25年里、也就是在他退休前，能看到一个确切的答案。
物理学家们之所以这么一点点地磨这个质量大小和排序的问题，事实上他们是想搞清楚，中微子这玩意儿到底凭什么有质量，以及它们到底是怎么获得质量的。
“我们不光想要那个数字，还想要那个数字背后的‘解释’，”阿圭列斯说。比如奇怪的是，中微子是否就是它们自己的反物质？它们身上是不是带着某种人类还没发现的新型“电荷”？或者说，咱们辛辛苦苦建起来的“标准模型”是不是漏掉了一大筐粒子，比如那个传说中中微子的第四种味？
这些问题没完没了，给出的解释也是一个比一个天马行空。虽然说搞清楚中微子多重可能没法对已知的实际应用产生什么贡献，但这事儿关乎咱们理解万物的根基。
“我不知道你对宇宙的历史感不感兴趣，”德·古维亚说，“但如果的确感兴趣，那你必须得弄清楚中微子的质量是多少。”
参考文献:
[1]. Argüelles, C. A., Fernández, P., Martı́nez-Soler, I., & Jin, M. (2023). Measuring Oscillations with a Million Atmospheric Neutrinos. Phys. Rev. X, 13(4), 041055. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041055
[2]. Project 8官网：https://www.project8.org/about
作者：Nicola Jones
翻译：Wonder
审校：姬子隰
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编辑：姬子隰
翻译内容仅代表作者观点
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