在南中国的密林丛山之下，一片巨大的石窟即将迎来其核心设施——600吨巨型球体的竣工。这是“江门地下中微子观测站”（JUNO）项目的关键部分，一座旨在测量中微子、宇宙中最小已知粒子的3亿人民币规模设施建设。这些粒子通常被称作“幽灵粒子”，它们既不可见也几乎无质量，以接近光速的速度在宇宙中穿行。
中微子具有三种可能的质量状态，其中最大的估计与电子的质量比为一千万分之一。它们可以穿越地球和其他物质而不受干扰，这是它们长期以来难以捉摸的原因所在。理解这些粒子对于澄清大爆炸理论中的一个谜团至关重要：根据现有物理学理论，这场事件应该产生了相等数量的物质和反物质，但事实是后者更为普遍，科学家们至今未明其原因。
在接下来的几年中，预计还将有另外两座观测站投入运行，分别是日本计划于2027年启动的“Hyper-Kamiokande”项目与美国支持的“深地下中微子实验（DUNE）”。这三个新世代的中微子观测站都将采用不同的探测技术，以互补和竞争的形式进行合作。
每项重大研究都涉及到跨国际合作，并旨在推动这一领域的进步、培养新的创新技术以及培育新一代的科学家。对物理学家们来说，“或许我们会在开启这些实验后观察到一些出乎意料的结果”，来自罗彻斯特大学的助理物理学教授克里斯·马歇尔说道，他正参与DUNE项目，“探索这些复杂效应需要多项实验从不同角度测量数据”。
然而，国际社会中对中国与美国科学关系的担忧正在上升。科学家们注意到美中之间的政治紧张局势导致合作变得更加困难，对获取对方科研资金的机会日益减少。“自美方来说，获得与中国同事合作的资金变得越来越难”，弗吉尼亚科技大学“中微子物理中心”的主任帕特里克·赫伯表示，“而我们的中国同行则发现获取美国签证更为困难。”
对于物理学家们而言，科学竞赛和合作都是必需的。在科研领域中，作为领导者至关重要，“做第一个才最重要”。科学家们不仅仅需要跟随，他们渴望拥有自己的研究成就。
“我们希望JUNO能在确定中微子质量等级方面领先于其他国家”，项目负责人王毅方表示，“在科学界，成为第一才是最重要的，第二名则意义不大。”
如果JUNO能够抢先解释中微子质量的故事，那么美国领导的DUNE项目就能从不同角度进行测量并验证JUNO的结果。DUNE的计划是跟踪位于伊利诺伊州设施发出的中微子，它们随后在地球内部行进800英里后，与物质互动或振荡。一旦到达南达科他州并能够被探测到，科学家们应能比较其旅程开始和结束时不同波长的中微子混杂情况。
尽管DUNE项目曾面临延误和成本超支问题，但专家表示，JUNO丰富的数据集——一个独一无二的数据集——将在帮助确定中微子质量等级顺序方面发挥关键作用，无论是在独立分析还是与其他实验结合的情况下，在2030年之前。
这些基础研究领域可能在未来孕育出新的技术、促进大数据密集型计算的发展以及推进粒子加速器科学的进步。“如果你改进了一盏蜡烛，你永远无法制造出电灯”，美国能源部布鲁克黑文国家实验室的粒子物理学家玛丽·比什表示，“基础科研在本质上是一种生成连续性的引擎。”王毅方以另一种方式表达了他的观点：“我致力于的是无用之学。”
JUNO项目背后的科学家们承认，他们无法预见到这些研究的实用地球上的利益。但它们有可能在未来产生新技术、促进数据密集型计算的发展和推动粒子加速器科学的进步。“每向前迈出一步，你都无法创造出电灯”，王毅方表示，“需要一个跳跃，一个非连续性。”
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原文地址：China and U.S. race to study neutrinos — ‘ghost particles’ of the universe
新闻日期：2024-10-31
