内容来源：https://www.quantamagazine.org/how-physicists-track-and-trap-the-elusive-neutrino-20260624/

内容总结：

中微子探测七十年：从“幽灵粒子”到宇宙信使

（东京大学宇宙线研究所神冈观测站报道）

七十年前，物理学家克莱德·科万和弗雷德里克·莱因斯在南卡罗来纳州萨凡纳河工厂的一座强核反应堆旁，放置了一个重达10吨的特制探测器，周围堆满厚铅墙和湿沙袋。他们将这项实验命名为“波尔代热斯计划”，意为捕捉幽灵。当时，物理学家已在β衰变过程中发现能量似乎无故流失，无人能解释。1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出一个大胆假设：一种几乎不可探测的粒子正悄悄带走缺失的能量。他向朋友坦言：“我做了一件可怕的事——假设了一个无法被探测的粒子。”这种粒子后来被称为中微子，它几乎没有质量、不带电荷，能几乎不受阻碍地穿透地球及包括人体在内的一切物体。

1956年6月，科万和莱因斯从洛斯阿拉莫斯国家实验室向泡利发去电报：“我们很高兴地通知您，我们已明确探测到中微子。”随后，科学家将目光投向更宏大的问题：如果核反应产生中微子，是否能用它窥视恒星——包括太阳——内部的核火焰？这面临巨大挑战：如何捕捉从遥远恒星射来、能穿透几乎一切而不被发现的粒子？科学家意识到，要让这种极少与物质碰撞的粒子现身，需要极其庞大的靶物质，并屏蔽其他辐射的干扰。于是，答案是在科学史上建造一些最大、最深、最奇特的实验陷阱，然后耐心等待。

1960年代，雷蒙德·戴维斯等人在南达科他州霍姆斯特克矿井地下1.5公里处放置了一个储罐，装入近40万升含氯清洗剂全氯乙烯。当中微子极罕见地撞击氯原子核时，会转化为可探测的放射性氩。这项持续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，这就是著名的“太阳中微子问题”。

数十年后，这一谜团被更庞大的实验解开。在日本神冈矿井深处，小柴昌俊建造了名为神冈探测器的设备，使用300万升超纯水。中微子偶尔与水中的原子核相互作用，产生高速电子，发出切伦科夫光，被探测器捕捉。神冈及小柴昌俊确认了戴维斯的发现，而更大的超级神冈探测器以及加拿大的萨德伯里中微子观测站进一步解释了差异：中微子存在三种“味”（电子型、缪子型、陶子型），可在它们之间振荡转换，这意味着中微子必须具备质量——而当时及至今的物理学定律都未能预测这一点。

新一代中微子探测器延续了宏大雄心与惊人发现：南极冰立方中微子观测站利用南极冰代替水，绘制出仅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跃星系；地中海海底的立方千米中微子望远镜则探测到有记录以来能量最高的宇宙中微子，其来源尚不明确。

中微子振荡及其引发的无数谜团，催生了最新一批探测器。中国江门地下中微子观测站于2025年启动，2026年6月发布的首批数据提供了迄今最精确的中微子振荡测量结果。日本的超级神冈二期和美国中西部的深层地下中微子实验预计将在本十年后期投入运行。

正是由于这些及其他大胆实验，泡利坚信永远无法捕捉的粒子正慢慢揭示它的秘密。七十年来，发现它的诀窍从未改变：想得大、钻得深、耐得住。

中文翻译：

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十吨重探测器，用厚铅壁和湿沙袋包裹起来，放置在南卡罗来纳州萨凡纳河工厂一座强功率核反应堆旁。他们将这个实验命名为“波尔代热斯计划”，旨在捕捉一个“幽灵”。

早在四分之一个多世纪前，物理学家们一直困惑于为何在名为β衰变的放射性过程中能量似乎会丢失。有某种东西消失了，而当时已知的物理学无法解释这一现象。随后在1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出了一项激进的解决方案：一种几乎无法探测到的粒子正悄无声息地携带着丢失的能量离去。“我做了一件可怕的事，”泡利对一位朋友说，“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。由于几乎没有质量且不带电荷，这些粒子能够几乎毫无阻碍地穿透地球及其上的一切，包括我们的身体。

考恩和莱因斯于1956年初部署的巨大装置，旨在寻找泡利认为不可能发现的东西。同年六月，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去一封电报：“我们很高兴地通知您，我们已经确定探测到了中微子。”

随后，研究的焦点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爆裂？这带来了巨大的挑战：如果这些粒子能够几乎不受阻碍地穿透任何物体，你又如何捕捉来自遥远恒星的粒子？当时的推测是，要探测这种极少与物质发生碰撞的粒子，就需要大量的物质供其碰撞。此外，这些物质还必须被屏蔽，以隔绝其他形式辐射的干扰。因此，科学家们提出的解决方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。

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塔克矿井地下1.5公里处，并注入了近40万升名为全氯乙烯的含氯干洗液。在极少数情况下，当一个经过的中微子撞击到氯原子核时，它会转化成为一种可被探测和计数的放射性氩气。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。这后来被称为“太阳中微子问题”。

几十年后，这个问题才通过更大型的实验得以解决。在日本神冈矿井深处，小柴昌俊建造了一种名为“神冈”的探测器，它使用了300万升超纯水。在这种装置中，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运动极快的电子，从而激发出一种称为“切伦科夫光”的闪光。这种光会被探测器捕捉到。

神冈探测器和小柴昌俊证实了戴维斯的探测缺口，而第二个更大型的探测器——超级神冈探测器，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”（电子中微子、μ子中微子和τ子中微子），并且可以在它们之间振荡或转换。要发生这种转换，中微子必须具有质量，而这在当时的物理学定律中无法预测（至今仍无法准确预测）。

新一代中微子探测器延续了宏大目标与惊喜结果的传统。位于阿蒙森-斯科特南极点站地下的冰立方中微子观测站，使用南极冰层代替水。它绘制了一幅仅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跃星系。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年启用；2026年6月公布的初步数据提供了迄今为止最精确的中微子振荡测量结果。日本的超巨型神冈探测器（Hyper-K）以及美国中西部地区的深部地下中微子实验（DUNE）预计都将在本十年后期开始运行。

得益于这些及其他大胆的实验，泡利当初确信永远无法捕捉到的粒子，正缓慢地揭示着它的秘密。七十年间，发现的秘诀从未改变：大胆设想、深入地下、并保持耐心。

布鲁克海文国家实验室/科学图片库
超级神冈合作组/科学图片库
萨德伯里中微子观测站提供
沃尔克·施泰格/科学图片库
沃尔克·施泰格/科学图片库
吉姆·豪根，冰立方/美国国家科学基金会（左）；马克·克拉斯伯格，冰立方/美国国家科学基金会
冰立方合作组
立方千米中微子望远镜提供
新华社
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

英文来源：

Kamioka Observatory, ICRR, The University of Tokyo
Introduction
Seventy years ago, the physicists Clyde Cowan and Frederick Reines took a custom-built 10-ton detector, surrounded it with thick lead walls and wet sandbags, and placed it near a powerful nuclear reactor at the Savannah River Plant in South Carolina. They called the experiment “Project Poltergeist,” designed as it was to catch a ghost.
More than a quarter of a century before, physicists had been puzzling over why energy appeared to be lost during a radioactive process called beta decay. Something was missing, and there was no known physics to explain it. Then in 1930, the Austrian physicist Wolfgang Pauli proposed a radical solution: A virtually undetectable particle was silently carrying the missing energy away. “I have done a terrible thing,” Pauli told a friend. “I have postulated a particle that cannot be detected.” It would come to be known as the neutrino. Having almost no mass and no charge, these particles can pass through Earth and everything on it, including our bodies, virtually unimpeded.
The massive device that Cowan and Reines deployed in early 1956 was meant to find what Pauli thought was impossible. That June, the pair of physicists from the Los Alamos National Laboratory sent Pauli a telegram: “We are happy to inform you that we have definitely detected neutrinos.”
Attention then shifted to a broader question. If nuclear reactions produce neutrinos, could we use them to peer at the nuclear fireworks inside stars, including the sun? This presented a huge challenge: How can you possibly catch particles shooting from distant stars if these particles can pass through almost anything undetected? The suspicion was that detecting a particle that rarely collides with matter requires a vast amount of matter for it to collide with. Moreover, the matter would have to be shielded from the noise of other forms of radiation. So the answer scientists came up with was to build some of the biggest, deepest, and most exotic experimental traps in scientific history … and then wait.
In the 1960s, Raymond Davis Jr. and colleagues at Brookhaven National Laboratory placed a tank 1.5 kilometers underground in the Homestake mine in South Dakota and filled it with nearly 400,000 liters of a chlorine-based cleaning fluid called perchloroethylene. On the rare occasion that a passing neutrino struck a chlorine nucleus, it would be transformed into a radioactive form of argon that could be detected and counted. The experiment, which would run for 25 years, found just one-third the number of neutrinos coming from the sun that had been predicted in theoretical models. This became known as the solar neutrino problem.
Decades passed before it was solved — by yet more massive experiments. Deep in the Kamioka mine in Japan, Masatoshi Koshiba built a different kind of detector called Kamiokande, which used 3 million liters of ultrapure water. In this setup, neutrinos occasionally interact with atomic nuclei in the water. The interaction creates an electron that moves so fast, it generates a flash of what’s called Cherenkov light. This light gets picked up by detectors.
Kamiokande and Koshiba confirmed Davis’ shortfall, and a second, even larger detector, Super-Kamiokande, as well as Canada’s Sudbury Neutrino Observatory, explained the discrepancy. Neutrinos come in three different “flavors” (electron, muon, and tau) and can oscillate, or switch, between them. To do so, neutrinos must have mass, which the laws of physics failed (and still fail) to predict.
Newer neutrino detectors continue the tradition of grand ambitions and surprising results. The IceCube Neutrino Observatory below the Amundsen-Scott South Pole Station uses Antarctic ice instead of water. It has developed a map of the Milky Way made up only of neutrinos and traced these high-energy cosmic particles back to active galaxies powered by supermassive black holes. On the floor of the Mediterranean Sea, the Cubic Kilometer Neutrino Telescope (KM3NET) has detected the highest-energy cosmic neutrino on record. Its source remains unknown.
Neutrino oscillations, and the myriad mysteries they give rise to, have driven the development of the newest wave of detectors. China’s Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) launched in 2025; initial data published in June 2026 provided the most precise measurements of neutrino oscillation reported to date. Japan’s Hyper-Kamiokande (Hyper-K) and the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) in the American Midwest are both expected to begin operation later this decade.
Because of these and other audacious experiments, the particle that Pauli was sure could never be caught has slowly been revealing its secrets. The recipe for discovery hasn’t changed in seven decades: Think big, go deep, and summon patience.
Brookhaven National Laboratory/Science Photo Library
Super-Kamiokande Collaboration/Science Photo Library
Courtesy of SNO
Volker Steger/Science Photo Library
Volker Steger/Science Photo Library
Jim Haugen, IceCube/NSF (left); Mark Krasberg, IceCube/NSF
IceCube Collaboration
Courtesy of KM3NET
Xinhua
Matthew Kapust, Sanford Underground Research Facility (left); Maximilien Brice/CERN