宇宙大爆炸初期的原始扰动与中微子质量密切相关。如果中微子质量为零，这种扰动可能将无法形成，也就不会有银河系、太阳系和人的存在。
中微子无处不在。超新星、银河系、太阳、地球乃至核反应堆，都是天然的中微子源。人体本身也是一个中微子源，每天大约会发出3.4亿个中微子。
2016年12月，中国科学院院士王贻芳在墨子沙龙开展了一场题为《中微子与我国粒子物理研究》的报告。本文根据报告内容整理而成。
▲王贻芳院士 来源：搜狐新闻
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第一部分
标准模型的“裂缝”：粒子物理有哪些未解之谜
粒子物理的研究目标，是探寻构成物质世界的最基本组分也就是最小单元，以及这些基本组分之间的相互作用规律。它想要解决几个根本问题：第一，物质世界由哪些最基本粒子构成？第二，这些基本粒子之间相互作用的规律是什么？第三，这些基本粒子的具体性质如何？此外，这些粒子的性质与相互作用规律，与宇宙的起源和演化密切相关，揭示其内在关联同样是重要的研究方向。
粒子物理的现有知识框架被称为“标准模型”。标准模型认为，构成物质世界的基本单元是十二种基本粒子：六种夸克、三种带电轻子（电子、μ子、τ子）及与之对应的三种中微子。夸克通过强相互作用构成质子和中子，进而形成原子核乃至我们日常所见的一切物质。用比喻来说，这些基本粒子如同构建大厦的“砖块”，而将它们“粘合”在一起的“水泥”，则是传递相互作用的粒子，即光子（传递电磁力）、W和Z玻色子（传递弱力）以及胶子（传递强力）。
▲标准模型的粒子 来源：欧洲核子研究中心CERN官网
希格斯粒子是标准模型中最后被实验证实的基本粒子。它于2012年在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上被发现。到目前为止，标准模型相关的研究取得了20次诺贝尔奖。然而，它并非终极理论，仍存在诸多未解之谜。要解决这些深层问题，必须依靠新的实验证据。标准模型的不完备性，主要体现在以下几个方面：
第一，标准模型中12种物质粒子的质量分布极其悬殊，跨越了十多个数量级。作为同一层次的“基本”粒子，质量差异如此巨大，令人难以理解。
第二，希格斯粒子的质量按照现在的理论模型计算出来的话，是没有办法让人理解的。我们觉得在10 GeV之下应该有新物理存在，保证希格斯粒子的质量自然合理。
第三，根据测得的顶夸克与希格斯粒子质量参数，我们所处的宇宙真空在标准模型框架下可能处于亚稳态，而非真正稳定的状态。应有新的物理规律使其稳定。
第四，标准模型中不包含暗物质粒子，也无法解释宇宙中正反物质不对称的起源。
▲宇宙中的物质-反物质不对称 来源： Symmetry Magazine，Sandbox Studio, Chicago
在实验上，也有两个关键证据直接指向标准模型之外的新物理：
首先，在高能标下，电磁、弱、强三种相互作用的耦合强度（耦合常数）并未精确交汇于一点，暗示着单纯的统一存在困难，可能需要引入新物理粒子才能使三者统一。
其次，也是最直接的证据，中微子被证实具有微小质量。而在标准模型中，中微子是没有质量的。如何将中微子质量纳入理论框架，至今仍是一个悬而未决的重大问题。值得注意的是，上述许多问题都与希格斯粒子密切相关。因此，深入研究希格斯粒子，被认为是最关键突破口之一。解决上述所有问题的核心，在于下一代大型对撞机。
▲质子—质子对撞机上希格斯玻色子的产生截面(a)和衰变分支比(b)，来源：LHC Higgs Cross-section Working Group. 2016 ，arXiv ：1610.07922
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第二部分
中微子振荡——以大型实验写就的粒子物理史诗
中微子无处不在。超新星、银河系、太阳、地球乃至核反应堆，都是天然的中微子源。人体本身也是一个中微子源，每天大约会发出3.4亿个中微子。
中微子性质极为奇特。目前我们只观测到左旋中微子，未发现右旋中微子，这意味着在弱相互作用下宇称是不守恒的。为何缺失右旋中微子？这至今仍是未解之谜。
▲沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）青年照，他在1930年提出中微子假说。来源：澎湃新闻
宇宙中充斥着大量的中微子，密度约为每立方厘米300个，与光子数量相当。宇宙大爆炸初期的原始扰动与中微子质量密切相关。如果中微子质量为零，这种扰动将无法形成，也就不会有银河系、太阳系和人的存在。它们的质量大小对宇宙的形成与演化起着决定性作用，尤其是对于宇宙大尺度结构的形成。因此，在中微子研究中，核心问题聚焦于“质量”。
1956年，意大利物理学家布鲁诺·庞泰科尔沃（Bruno Pontecorvo）提出了“中微子有质量”相关理论。然而，由于中微子质量极小，实验精度要求极高，我们至今无法直接测量其质量，只能通过间接手段。第一个实验证据来自20世纪70年代，物理学家小雷蒙德·戴维斯（Ray Davis）和约翰·诺里斯·巴考尔（John N. Bahcall）为了解释太阳的能量来源，提出通过测量聚变过程中产生的中微子来验证太阳模型。经过二十多年的实验，他们探测到了两千多个中微子。
此后，日本科学家小柴昌俊利用超级神冈探测器发现了中微子振荡，解释了大气中微子反常和太阳中微子消失的现象，并因此获得诺贝尔奖。1998年，超级神冈实验确切发现，从地球下方穿过的大气μ子中微子在飞行中减少了，而从天顶下来的则不变，这种随距离、能量和种类变化的现象，正是中微子振荡的特征。
▲日本超级神冈实验探测器内部数量惊人的光电倍增管 来源：中科院物理所
在测得太阳和大气中微子振荡参数θ12和θ23后，剩下的关键参数是θ13。其数值大小对中微子物理的未来发展至关重要。如果θ13为零，下一代中微子实验将无法开展。
▲2025年11月19日，江门中微子实验（JUNO）宣布测量了两个中微子振荡参数 来源：中科院高能物理所
如何找出中微子振荡的参数？我们提出的大亚湾实验方案面临巨大挑战：过去的实验精度在3%到6%之间，而我们的目标是将精度提升至0.6%，这近10倍的差距是极大的难点。尽管面临国际竞争，且启动时间较晚，但我们的设计精度最高。这是中美两国在基础科学研究中最大的合作项目，约有200多名科学家参与。从2003年提出方案，到2012年，我们终于观测到反应堆电子反中微子的消失，首次测得θ13不为零，数值约为0.092。
▲大亚湾中微子实验原理图 来源：中科院之声
下一步，我们将开展江门中微子实验。江门实验能将振荡参数的测量精度从3%-10%提升至1%以下。这种量级的提高，对于寻找超出标准模型的新物理，以及在超新星、地球和太阳中微子研究方面，都具有极其重要的意义。
▲江门地下中微子实验 来源：新华社
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第三部分
预见未来：超越标准模型的漫漫征途
国际上，日本在2012年发布的规划中明确提出，如果发现希格斯粒子，就着手建造国际直线对撞机。欧洲计划一方面继续运行大型强子对撞机（LHC），并将亮度升级至10倍以上，运行周期延长至2035年；另一方面，规划研究100公里级的大型正负电子或强子对撞机，美国也提出了中微子实验加速器项目（LBNF/DUNE），并计划参与其他领域的深入研究。
▲工程师们正建造和测试高亮度大型强子对撞机的一部分 来源：欧洲核子研究中心(CERN)
中国拥有北京正负电子对撞机和北京谱仪，专注于强子物理与稀有衰变的研究。在高能量前沿，即寻找更深层次新物理的探索中，我们积极参与了欧洲强子对撞机的合作。在反物质研究领域，我们加入了丁肇中先生领导的实验；在中微子领域，我们有大亚湾和江门中微子实验；在暗物质探测方面，则布局了地下锦屏实验以及空间DAMPE（“悟空”号暗物质粒子探测卫星）和HERD（高能宇宙辐射探测设施）实验。
▲2015年12月，中国的暗物质粒子探测卫星“悟空”，为暗物质直接和间接探测提供了大量线索。来源：中国科学院紫金山天文台
粒子物理实验的关键，在于明确的科学目标、长远的规划，以及一条连贯的技术发展路线。日本从神冈到超级神冈，再到未来的Hyper-K，始终坚持水下探测器的技术路线。同样，我们从大亚湾到江门，乃至未来，也坚持液体闪烁体这一技术路线。这条从2003年开始的路线，可以延续到2030年甚至2050年，确保我们在几十年的发展中维持竞争优势。历史教训告诉我们，规划失误可能导致发展路线的中断和前景的丧失。
▲江门中微子实验直径达35.4米的巨大液体闪烁体探测器。来源：中科院物理所
2013年，我们发现了新型粒子ZC3900。已知的强子通常由两个或三个夸克构成，而ZC3900是一个由四个夸克组成的特殊强子。这一发现入选了美国《物理评论快报》2013年国际物理学11项重要成果之首，引起了巨大反响。
2012年希格斯粒子的发现，为我们建设环形电子正负电子对撞机（CEPC）提供了理想契机。在250GeV能区，恰好是希格斯粒子的质量位置，这使得CEPC成为一个“希格斯粒子工厂”。
▲CEPC剖面示意图，展示其长达100公里的地下环形隧道，以及连接地面实验建筑的竖井 来源：世界科学
这一规划不仅限于希格斯粒子的研究，更着眼于未来发展。建造的希格斯工厂隧道长达50至100公里，未来可升级为质子对撞机、电子-质子对撞机等，拥有超过50年的寿命。我们在启动项目之初，就必须考虑其长远的生命力。
此外，CEPC也是世界上性能最好的高能同步辐射光源，在核物理、国防、材料科学等领域具有广泛应用。
这一项目在国内外已形成广泛共识，包括香山会议、中国物理学会高能物理分会以及国际未来加速器委员会等，都对我们的设想持肯定和支持态度。时间进度上，计划在下一个五年计划启动CEPC建设。
我们希望基础研究能够真正转化为实用成果，并最终实现产业化。中国高能物理的发展起点很高。老一辈科学家在建设正负电子对撞机时，作出了非常艰难而勇敢的决定。三十多年来，我们发展顺利，如今正面临重大机遇，有望在高能物理的关键科学领域和关键技术领域实现世界领先。同时，作为一个大型多学科平台，它也将产生巨大的经济和社会效应。我们认为CEPC是中国发起国际大科学项目的绝佳候选，作为科学家，提供这样一个选择是我们的责任。随着中国世界影响力的提升，我们必将有更多大科学装置逐步引领世界。
内容整理：诗学
文章转载自"墨子沙龙"公众号
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