【導語】2020年年終的中共中央經濟工作會議上，中國政府為2021年發展重點部署八大任務。這場中共高層官員的工作會議，不僅將「強化國家戰略科技力量」列為下一年經濟發展首要任務，且坦言要通過舉國體制優勢發展高科技，「儘快解決一批『卡脖子』問題」。顯然，在高科技領域的全球競爭中，中國要提高自己的話語權。回看2020年，中國在探月工程、火星探測、衛星導航、載人深潛、量子研究、資料庫技術替代、核聚變技術國際參與以及中微子實驗和晶片製造等領域，均有亮眼表現或國家戰略部署。這些領域的科技研究，對應著怎樣的現實意義？中國的競爭優勢和現實挑戰格局如何？下一步的發展方向又在哪裡？
對中微子的科研一邊連接著宇宙演變之謎，另一邊意味著超科技應用的革命性演進，中國的大亞灣中微子實驗使得中國在中微子領域的研究從無到有，甚至躋身國際先進行列。圖為大亞灣中微子實驗首席科學家王貽芳在大亞灣反應堆中微子實驗室內。（ 新華社發）
就在「嫦娥五號」探月工程為國際所關注的同時，世界領域內另一高科技——中微子的工程研究在中國有了新動態。北京時間12月12日，經過4年醞釀、4年建設和9年運行共17年曆程的大亞灣反應堆中微子試驗，發現第三種中微子震蕩模式等一系列重要的中微子研究成果後正式退役。下一步，中國中微子研究的重心將轉移到廣東江門，這個大約將於一年後建成的地下裝置——全世界最大的液體閃爍體中微子探測器——江門中微子實驗（JUNO），將通過對多種來源的中微子的檢測，解答一系列基本問題：3種已知中微子的質量誰大誰小？宇宙中中微子的總質量是多少，它們如何影響宇宙形成和星系分布？地球內部還有多少化學能量在驅動地球運轉？
送出五座諾獎的「中微子」
中微子的發現和研究，聽起來是一個非常高科技、非常有國家戰略意義、甚至事關人類乃至宇宙概念的科學問題。事實也確實如此，從1956年至今，中微子研究領域已經產生了五位諾貝爾獎獲得者：
1956年，美國科學家萊因斯（F. Reines）和柯溫（C. Cowan）利用核反應堆實驗首次測到為數不多的中微子。萊因斯因此獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。
1962年，萊德曼（Leon Lederman）、舒瓦茨（Melvin Schwartz）、斯坦伯格（Jack Steinberger）在美國布魯克海文實驗室利用質子加速器發現了第二種中微子μ中微子。他們因此獲得了1988年的諾貝爾物理學獎。後來人們證實總共有三種中微子。
1968年，戴維斯（Raymond Davis）等人首次發現探測到的太陽中微子比預期少，此後進一步測量證實僅為1/3，被稱為「太陽中微子丟失之謎」。1987年，日本科學家小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）領導的神岡實驗（SK）探測到超新星1987A爆發產生的中微子。戴維斯和小柴昌俊因為對太陽中微子和超新星中微子的研究，同時獲得了2002年諾貝爾物理學獎。
1987年日本物理學家小柴昌俊領銜的日本神岡實驗觀測到來自超新星的中微子，這是人類首次探測到來自太陽系以外的中微子，小柴昌俊以此發現將2002年諾貝爾物理學獎納入囊中。（Getty）
長期以來，太陽中微子丟失之謎和大氣中微子反常現象，一直困擾著物理學家們。直到1998年，日本的超級神岡實驗以確鑿證據證實大氣中微子的丟失是因為中微子發生了振蕩，這表明中微子具有質量。 2001年，SNO實驗證實丟失的太陽中微子轉化為其它兩種中微子。日本的梶田隆章（Kajita Takaaki）和加拿大的麥克唐納（Arthur Bruce McDonald）因發現中微子振蕩現象獲得了2015年的諾貝爾物理學獎。
即便如此介紹，對於非專業人群來說，要理解中微子是一個怎樣的概念仍然是一個「燒腦」的問題。有報導稱「中微子是構成物質世界最基本卻也最神秘的粒子之一，蘊藏著宇宙的諸多奧秘。」也有媒體引述其「中微子是亞原子粒子家族中的奇葩。它們無處不在，從太陽、深空和地球湧入，飛快地穿過我們的身體，每秒達上萬億個。這些粒子是如此微小，以至於它們很少與任何東西發生相互作用，這使得它們極其難以捉摸，難以研究。」總歸它是一個無處不在、卻是令普通人無法察覺的一個龐大的微觀存在。而科學家們相信，中微子這些奇怪的行為可能會帶來啟示，洞察宇宙的歷史和物理學的未來。
回到本文開頭提及的江門中微子實驗，這個於2008年提出、經過近6年開挖，位於廣東江門連綿起伏的山丘的實驗裝置，有超過650名科學家在為其工作。它與日本的「頂級神岡」實驗（Hyper-K）和美國的「沙丘中微子實驗」（DUNE）齊名。江門中微子實驗利用附近的兩座核電站作為中微子源，目標是更多地了解這些粒子。
今年底或2021年初，江門中微子實驗的研究人員將開始組裝13層樓高的球形探測器。探測器將被4.3萬個用來探測光的光電管覆蓋，並灌滿2萬噸專門配製的液體。在地下700米處，電子型反中微子（核反應堆產生的中微子類型）以微乎其微的機率撞上質子，並在液體中引發反應，從而產生相隔不到一毫秒的兩道閃光。「這個小小的『巧合』就被看成是一個反應堆中微子信號。」
中微子研究 中國後來居上
儘管不像美日等國先後捧回諾獎，中國在這一領域的研究實際也早有觸及，甚至可以說是後來居上。在中微子領域的首個諾獎之前，1941年中國科學家王淦昌就曾提出利用軌道電子俘獲檢測中微子的可行方案，次年美國物理學家用此方法通過實驗間接證實了中微子的存在。不過中國對中微子的主導性研究還要推遲到2006年大亞灣中微子實驗的正式立項。
大亞灣中微子實驗不僅使中國的中微子研究從無到有，還因2012年3月的中微子震蕩的新模式等研究發現，一舉跨入國際先進行列。
2012年12月中退役的大亞灣中微子實驗將中國對中微子的研究躋身國際先進隊列的之時，也培養了一批該領域的研究人才，並做好了與第二代中微子實驗裝置江門實驗的交接。將於2022年投入的江門中微子實驗目標是更多地了解中微子，以回答一個基本問題：三種已知中微子的質量誰大誰小？費米國家加速器實驗室的理論物理學家約瑟夫·利肯（Joseph Lykken）說，中微子質量順序是研究人員需要確定的一個關鍵參數。這個答案可以幫助科學家更好地估計宇宙中中微子的總質量，並確定它們是如何影響宇宙形成和星系分布的。此外，江門中微子實驗還可以捕捉到地球中微子。參與江門實驗的馬裡蘭大學的地質學家威廉·麥克唐納（William McDonough）說，研究地球中微子是了解地球內部還有多少化學能量來驅動我們的星球的唯一有效方法，「日本、歐洲和加拿大現有的所有探測器加起來每年能看到大約20個地球中微子，而將來江門實驗每年能探測到400多個。」
被認為中微子下一代探測器的另外兩大探測器是日本的「頂級神岡」（Hyper-K）和美國的「沙丘」實驗。頂級神岡是日本現有兩次獲得諾獎的「超級神岡」探測器的「繼任者」，能探測宇宙射線、太陽、超新星和粒子加速器等各種來源產生的海量中微子。它將用於研究中微子與反中微子的行為差異，以解釋為什麼宇宙看似由物質主導，這一探測器預計於2027年開始收集數據。日本科學界期待這一探測器能再次帶來諾貝爾獎級的成果。
由美國費米實驗室主持建設運行，預計將於2025年啟用的「沙丘」實驗將研究中微子的性質並尋找新物理學，同時等待超新星中微子的到來。「沙丘」實驗安裝有全世界最強的中微子源與兩個中微子探頭，這能夠以最高精度測量中微子質量順序。此外，「沙丘」實驗也將研究目標對準中微子與其反粒子行為差異。
對於當前這三大中微子試探探測器而言，中國江門中微子實驗的研究者曹俊稱三個實驗間既競爭又互補，聯合分析能顯著提高發現能力。美國「沙丘」實驗的物理學家也坦言「江門實驗在中微子質量順序上的結果，將幫助沙丘實驗對CP破壞進行最有效的發現和測量。」 事實上，在中微子的研究領域，即使是國家主導的實驗項目也常見國際合作的色彩。例如中國江門中微子實驗其中近一半是中國以外的科學家，再如日本的頂級神岡項目，除日本政府撥付費用外，美國、英國等其他一些參與研究的國家也將出資。在中微子研究領域，正呈現出一種競爭和合作同時存在的有趣格局。