中微子，关乎宇宙起源之谜

日本的“*神岗”中微子探测器项目已经正式启动，数据收集计划于2027年开始。该项目由日本牵头，英国、加拿大和其他国家参与其中，旨在阐明物质的起源和基本粒子的“大统一理论”，并揭开宇宙起源的神秘面纱。

中微子是宇宙中最丰富的基本粒子之一。基本粒子是已知最小的粒子。它们不能像原子一样被分成更小的粒子。它们是构成宇宙万物的基本元素。中微子是物质中最轻的粒子，其确切质量尚未被测量，但它们至少比电子轻100万倍。它们无处不在，例如太阳发光、核反应堆发电、岩石的自然放射性衰变以及其他核物理过程都会产生，甚至我们每个人都会由于体内钾-40的衰变而每天发射约4亿个中微子。

中微子最大的特点是它们几乎不与任何物质反应。无论是人体还是地球，在它看来，都是极其空虚的，可以*穿梭太空。我们感觉不到它的存在，科学探测极其困难。因此，中微子的发现和研究过程充满了几代研究者的心血。

1930年，奥地利科学家保利预测了中微子的存在，以解释在核衰变中看似不守恒的能量，他认为是这个“永远找不到的粒子”偷偷带走了能量。经过20多年的搜寻，美国科学家柯文和赖恩斯终于在核反应堆附近探测到中微子，证明了它的存在。为此，雷恩斯获得了1995年诺贝尔物理学奖。

1968年，美国科学家戴维斯在地下1500米的废弃金矿进行了一项实验，并首次探测到来自太阳的中微子，证实了太阳无穷无尽的能量来自氢聚变。1987年，日本科学家小柴昌俊在第一代信冈实验中探测到超新星的中微子。他们两人都获得了2002年诺贝尔物理学奖。此后，戴维斯进一步提高了测量精度，却发现太阳中微子的数量远远少于理论预测，这被称为“太阳中微子失踪之谜”。此后，小柴昌俊的学生梶田隆章发现，宇宙射线在大气中产生的中微子也比预期的少，这被称为“大气中微子损失之谜”。

为什么中微子比预期的少？1998年，梶田隆章在升级的第二代神岗实验中发现，大气中微子比预期的要少，因为它们在飞行过程中自发地变成了其他类型的中微子，这种现象被称为中微子振荡。他还获得了2015年诺贝尔物理学奖。

中微子振荡现象证明中微子有质量。虽然质量非常小，但它会影响宇宙的起源和演化。根据已知的物理定律，在早期宇宙中，正负物质应该以相同的数量成对产生。但是在现在的宇宙中，没有大量反物质的迹象。为什么宇宙只由积极物质组成？反物质在哪里？这是宇宙起源必须回答的关键问题。中微子振荡会带来意想不到的结果，即正负粒子会有不同的行为，这很可能导致反物质消失。因此，对中微子振荡的全面理解是解决“反物质消失之谜”的重要组成部分。

因为中微子很难被探测到，解决这些谜团需要巨大的探测器来获得更精确的数据。日本前两代的信冈实验坚持自己的优势方向，掌握了核心技术，经过不断探索取得了重大突破。这次启动的第三代实验“托普圣港”将建造一个26万吨的水探测器，耗资约8亿美元。此前，中国的江门中微子实验和美国的深层地下中微子实验也已开始建造。这三个实验既有竞争性又有互补性。联合分析可以显著提高发现能力。新一代的中微子实验也许有一天会揭开宇宙起源的神秘。

(作者是中国科学院高能物理研究所副所长)