在核電站內(nèi)捕捉幽靈粒子

曹俊

幽靈粒子就是中微子，是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子。按照粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，中微子沒有質(zhì)量，也不會發(fā)生振蕩，且很難探測，人類對它的認(rèn)識很少。長期以來，中微子是人們在標(biāo)準(zhǔn)模型里認(rèn)識得最不清楚的一種粒子，以前我們甚至認(rèn)為根本就看不到它，所以把它叫作幽靈粒子。

1998年，粒子物理領(lǐng)域發(fā)生了一件大事，日本的超級神岡中微子探測實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，證明了中微子有質(zhì)量。日本做出這個諾獎級的重要發(fā)現(xiàn)，并不是短時間達(dá)成的，故事要從日本物理學(xué)家小柴昌?。?926—2020）講起。

神岡實(shí)驗(yàn)的意外發(fā)現(xiàn)

小柴昌俊領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)在日本建設(shè)了大型探測器——神岡，做了第一個實(shí)驗(yàn)，叫神岡實(shí)驗(yàn)。此后神岡探測器升級為超級神岡，小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章，于1998年做成了超級神岡中微子探測實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在，日本正在修建頂級神岡探測器，預(yù)計(jì)2027年建成。在這個過程中，日本的中微子探測器不斷升級，越修越大。

小柴昌俊的實(shí)驗(yàn)有兩項(xiàng)核心技術(shù)，一項(xiàng)是他們發(fā)明的20英寸（50.8厘米）的光電倍增管（將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件），另一項(xiàng)就是挖坑灌水的技術(shù)（日本的中微子探測器像一個巨大的“水罐子”，以水作為探測介質(zhì);同時需要深入地下數(shù)百米，以阻隔其他宇宙射線的干擾）。從20世紀(jì)80年代開始，40多年時間，日本這個探測器的坑越挖越大，水越灌越多。當(dāng)然，這其中還有很多其他技術(shù)。持續(xù)這么多年的工作和發(fā)現(xiàn)，才使他們的技術(shù)逐步提高。目前就對中微子的理解，日本仍然是世界上水平最高的。

小柴昌俊最開始的目的并不是研究中微子，這在中微子研究領(lǐng)域其實(shí)也比較普遍。關(guān)于中微子的研究結(jié)果，幾乎沒有和預(yù)想一致的，每次都會有意外發(fā)生，不管是研究太陽中微子、大氣中微子，還是反應(yīng)堆中微子，都會有反常，這些反常經(jīng)常會帶來新的重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

我們知道，組成整個宇宙的基本粒子有6種夸克、6種輕子，這些粒子通過強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力這3種力結(jié)合在一起，構(gòu)成了整個宇宙。在6種輕子中，有3種中微子，叫作電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，可見其實(shí)我們研究的只是這個宇宙世界的1/4。

小柴昌俊最開始的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是研究質(zhì)子的衰變。普通世界由質(zhì)子、中子組成，質(zhì)子、中子則包含上夸克、下夸克和電子，但這其實(shí)只占物質(zhì)粒子量的很小一部分，其他都是不穩(wěn)定或我們看不見的粒子，比如中微子。小柴昌俊研究質(zhì)子衰變的目的，是想嘗試是否能把上面說的3種力統(tǒng)一起來。

在3種力中，電磁力的力程最長，是無窮長，弱力則只在原子核里發(fā)生相互作用，看起來它們完全不同，但通過粒子物理學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)這兩種力其實(shí)是同一種，在宇宙誕生的最早期，它們是統(tǒng)一的。由此科學(xué)家自然想到，弱力跟電磁力是同一種力，那么會不會強(qiáng)力、弱力、電磁力這3種力都是同一種？會不會在能量更高或宇宙更早期的時候，這3種力就是統(tǒng)一的？如果是這樣，就會帶來質(zhì)子衰變，而如果找到了質(zhì)子衰變，就能找到粒子物理更基本的理論。這是神岡實(shí)驗(yàn)最初的目的。

但是，小柴昌俊在整個實(shí)驗(yàn)周期中都沒有找到質(zhì)子衰變，直到現(xiàn)在，我們都沒有找到，當(dāng)然還在繼續(xù)找。但是此外，小柴昌俊看到了其他一些奇怪的現(xiàn)象——大氣中微子的反常。

大氣中微子反常

為什么會說到中微子呢？因?yàn)橘|(zhì)子衰變即使存在，也非常稀少，為了準(zhǔn)確看到它的信號，就必須剔除所有假信號。中微子就是其中一種假信號。我們知道，宇宙中有種現(xiàn)象叫超新星爆發(fā)，超新星爆發(fā)時就會放出很多中微子，雖然超新星的亮度超過了它所在的整個星系，但它99% 的能量是被中微子帶走的;太陽在發(fā)熱發(fā)光的同時，也會放出很多中微子，我們把它叫作太陽中微子;地球因?yàn)楹刑烊环派湫栽?，如鈾、釷、鉀，它們也會放出中微子，這也是地?zé)岬闹饕獊碓?核電站在原子核發(fā)生裂變時，就會放出很多中微子，比如一個典型的百萬千瓦級的反應(yīng)堆，每秒會放出35萬億億個中微子;當(dāng)然，我們還可以用加速器來產(chǎn)生中微子;甚至人的身體，其實(shí)也會放出中微子，因?yàn)槲覀兩眢w里有鉀，有鉀就會有它的放射性同位素鉀-40，一個人所帶的鉀-40的放射性活度約為5000貝克，即每秒會放出5000個中微子，那么一個人一天大概會放出3億個中微子。

在研究質(zhì)子衰變時，大氣中微子會對它形成假信號。大氣中微子來自高能宇宙射線。高能宇宙射線到達(dá)地球大氣層后，跟大氣中的原子核發(fā)生碰撞，產(chǎn)生很多中微子，這些中微子被探測器捕捉到后，很難跟質(zhì)子衰變的信號分開。因此，就要把大氣中微子產(chǎn)生了多少假信號研究清楚，然后剔除，才能看到質(zhì)子衰變的信號。

在這一過程中，小柴昌俊的學(xué)生梶田隆章發(fā)現(xiàn)，大氣中微子跟我們的預(yù)判不同，有很多中微子在到達(dá)途中丟失。至于為什么丟失，有人認(rèn)為是因?yàn)榘l(fā)生了中微子振蕩，有人認(rèn)為不是，問題一直懸而未決。但是日本研究者非常幸運(yùn)，就在1987年，小柴昌俊退休前幾周，麥哲倫星系出現(xiàn)了一次超新星爆發(fā)——1987A，他們探測到了來自這顆超新星的中微子。這一研究成果在2002年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

在那之后日本開始建造更大的超級神岡實(shí)驗(yàn)，這是一個儲水量5萬噸（神岡為3000噸）的探測器，規(guī)模之大令人震驚，直到現(xiàn)在仍是世界上最大的中微子探測器。它的數(shù)據(jù)質(zhì)量比神岡好很多，可以看到很清楚的中微子信號。

中微子振蕩是一種量子干涉現(xiàn)象，跟波動一樣，波動的振幅用θ表示。因?yàn)槊恳环N中微子都會同時存在幾個自己的本征態(tài)。

太陽中微子失蹤

最早的中微子振蕩跡象來自太陽中微子失蹤之謎。

美國的戴維斯教授從20世紀(jì)60年代開始研究探測太陽中微子。他首次探測到來自太陽的中微子，證明了太陽的能源來自氫核聚變，因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。與此同時，他還發(fā)現(xiàn)，太陽中微子的個數(shù)只有我們預(yù)期的1/3，大部分的中微子都不見了。關(guān)于這一點(diǎn)的解釋有很多種，但是沒有一個令人信服的。

這個問題多年來懸而不決，一直到1984年，美國加州大學(xué)的一位華人物理學(xué)家陳華森，提出了一個非常天才的想法。他認(rèn)為，我們既然無法用水看到太陽中微子的去向，那就用重水（也稱氧化氘，分子式D2O），這樣就能同時看到不同的中微子，從而判斷中微子是真的丟了，還是變成了其他種類的中微子。但非常不幸的是，陳華森幾年以后就因病去世了，這個實(shí)驗(yàn)就改由加拿大的麥克唐納教授領(lǐng)導(dǎo)。麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的薩德伯里實(shí)驗(yàn)在2001年發(fā)現(xiàn)，太陽中微子的丟失就是因?yàn)橹形⒆拥恼袷帯?/p>

中微子振蕩背后可能蘊(yùn)藏新理論

到了2002年，科學(xué)家基本都相信中微子是振蕩的。2015年，上述兩個實(shí)驗(yàn)的帶頭人梶田隆章和麥克唐納，被授予了諾貝爾物理學(xué)獎，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，證實(shí)了中微子有質(zhì)量。這是我們第一次用實(shí)驗(yàn)證明存在超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象，它有可能會帶來新物理的誕生。

其實(shí)有許多現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)模型都解釋不了，比如：

宇宙為什么會加速膨脹，是什么力推動它加速？我們到現(xiàn)在還不知道，所以把它叫作暗能量。標(biāo)準(zhǔn)模型中有強(qiáng)力、弱力、電磁力，暗能量是什么力？我們填不進(jìn)去。另外就是銀河系為什么能夠存在。現(xiàn)在我們看到的所有星系轉(zhuǎn)動的速度，都比預(yù)期要快，如果沒有一個額外的引力存在，這些星系都會飛散。所以銀河系之所以存在，一定是有一個額外的引力幫助凝聚了星系，我們把這個引力叫作暗物質(zhì)。還有就是中微子為什么會有質(zhì)量，在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是沒有質(zhì)量的，它如何產(chǎn)生，我們不知道;怎么去修改模型，使它與理論相符，我們也不知道，所以有很多問題等待解決。

一般來說，我們對中微子的研究，是有可能帶來新理論的，會更好地解釋宇宙的起源和演化。

我們看到了大氣中微子的振蕩，太陽中微子的振蕩，其實(shí)還應(yīng)該有一種振蕩，我們把它叫作θ₁₃。

大亞灣實(shí)驗(yàn)：尋找第三種振蕩

從以前的實(shí)驗(yàn)我們得知θ₁₃值一定很小。我們相信中微子振蕩可能跟宇宙早期的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱性有關(guān)。為什么宇宙能夠存在，為什么現(xiàn)在看到的全是物質(zhì)，我們覺得有可能中微子振蕩能解釋它。如果第三種振蕩值是0，這種不對稱性就不會存在，我們就沒辦法用中微子去解釋宇宙早期的謎底。所以，中微子研究的下一步就是去尋找第三種振蕩，這個就是我國大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)（以下簡稱大亞灣實(shí)驗(yàn)）的起源。

這個實(shí)驗(yàn)非常重要， 國際上有很多競爭， 如法國的Double Chooz實(shí)驗(yàn)、韓國的RENO實(shí)驗(yàn)。我國在2003年左右提出了實(shí)驗(yàn)設(shè)想。現(xiàn)任中科院高能物理研究所所長王貽芳教授和美國加州大學(xué)陸錦彪教授，是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)始人。

為什么選擇在大亞灣？因?yàn)樽鲞@種實(shí)驗(yàn)，首先需要反應(yīng)堆的功率越大越好。功率越大，看到的中微子數(shù)就越多，實(shí)驗(yàn)就測得越準(zhǔn)確。其次，我們需要反應(yīng)堆的旁邊有山。因?yàn)椴还苁侵形⒆訉?shí)驗(yàn)還是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，研究的對象都是非常稀有的事例，會有很多假信號干擾，因此需要把它埋在山里，過濾假信號。大亞灣核電站就是全世界做這個實(shí)驗(yàn)最好的地方。

大亞灣實(shí)驗(yàn)的探測器于2011年底完成安裝。但此前，日本的一個實(shí)驗(yàn)說他們找到了發(fā)現(xiàn)第三種振蕩的很大可能。原則上說，他們有可能是最先發(fā)現(xiàn)第三種振蕩模式的。但是比較不幸， 2011年3月的福島地震損壞了他們的儀器，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)暫時擱淺。而我們的實(shí)驗(yàn)做了這么久，如果成果落后就太可惜了。所以當(dāng)時就改變了計(jì)劃，原計(jì)劃安裝8個探測器，實(shí)際只放了6個探測器后實(shí)驗(yàn)就開始取數(shù)。最終，在2012年，中國在日本和韓國之前最先發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩θ₁₃，打開了中微子研究的新大門。

這一成果的發(fā)現(xiàn)，對全世界科學(xué)家都是一個很好的消息，體現(xiàn)在兩個方面：第一，θ₁₃不為0，就意味著是中微子振蕩導(dǎo)致了宇宙早期的反物質(zhì)消失，只留下正物質(zhì)構(gòu)成我們的世界。第二，后來我們還進(jìn)行了如中微子的質(zhì)量排序等一些其他研究。如果θ₁₃值很小，以現(xiàn)有的技術(shù)，我們根本無法進(jìn)行這些后續(xù)的實(shí)驗(yàn);如果θ₁₃值很大，實(shí)驗(yàn)就可以深入。所以當(dāng)我們測出θ₁₃值很大以后，國際上新一代的中微子實(shí)驗(yàn)都開始部署?，F(xiàn)在，日本的頂級神岡試驗(yàn)、我們的江門中微子實(shí)驗(yàn)、美國的沙丘實(shí)驗(yàn)（即DUNE，深層地下中微子實(shí)驗(yàn)）都已經(jīng)開始了建造。

在大亞灣實(shí)驗(yàn)2012—2020年近9年的數(shù)據(jù)中，我們除了發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，還做了3件事：第一，把振蕩的精度從20% 提高到了3%;第二，測量了反應(yīng)堆中微子能譜;第三，排除了美國實(shí)驗(yàn)認(rèn)為可能存在第4種中微子的空間。其中兩項(xiàng)都不在我們的原來計(jì)劃中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆中的能譜跟預(yù)期設(shè)想也不一樣，至于為什么會跟理論差那么多，我們現(xiàn)在還不是很清楚。所以，我們正在做一個臺山中微子實(shí)驗(yàn)（江門中微子實(shí)驗(yàn)的一部分）去理解這些問題。

升級版的未來：江門中微子實(shí)驗(yàn)

大亞灣實(shí)驗(yàn)停止并不代表中微子實(shí)驗(yàn)的結(jié)束。實(shí)際上，我們正在做一個更大、更好的中微子實(shí)驗(yàn)，叫作江門中微子實(shí)驗(yàn)（以下簡稱江門實(shí)驗(yàn)）。它的主要物理目標(biāo)，一是測量中微子的質(zhì)量順序，二是測量中微子的CPE相角。這個實(shí)驗(yàn)會在地下700米修一個20000噸的探測器，采用4萬個光電倍增管。

為了完成這個實(shí)驗(yàn)，要修建一個現(xiàn)在國內(nèi)最大的地下洞室，做一款世界上探測效率最高的光電倍增管，以及國際上最大的（12層樓高，直徑35.4米）有機(jī)玻璃容器。在這之前，國際上最大的這一設(shè)備，是2015年憑借中微子探測試驗(yàn)成果獲得諾貝爾物理學(xué)獎的科學(xué)家阿瑟·麥克唐納所使

用的加拿大的實(shí)驗(yàn)裝置，直徑12米，我們的直徑是它的近3倍，體積近20倍。因?yàn)樘綔y器很大，所以要求中間灌裝的液體閃爍體的透明度達(dá)到最高，所以，我們還要做世界上最透明的液體閃爍體。這是對江門中微子實(shí)驗(yàn)的四大挑戰(zhàn)。

其實(shí)，這些技術(shù)從大亞灣實(shí)驗(yàn)開始就在研究，現(xiàn)在，我們在每一個方面的核心技術(shù)上都有很大突破。

比如光電倍增管。大亞灣實(shí)驗(yàn)時，因?yàn)閲鴥?nèi)做不出，是從日本購進(jìn)的。2008年，我們經(jīng)過很多次嘗試，跟研究所和兩家不同的公司合作，一直到2017年，終于用全新工藝生產(chǎn)出了自己的光電倍增管，量子效率比日本的還要好。

比如有機(jī)玻璃球。大亞灣實(shí)驗(yàn)時，全國都沒有廠家敢接這個制作，因?yàn)橐蠓浅８?，精度要達(dá)到3～5毫米。而到江門實(shí)驗(yàn)時，需要更大的有機(jī)玻璃球，我們經(jīng)過調(diào)研，非常高興地發(fā)現(xiàn)，才過了幾年，國內(nèi)的加工實(shí)力提高得非常快，生產(chǎn)基本沒問題。所以我們現(xiàn)在是在跟國內(nèi)公司合作生產(chǎn)，且大部分部件都已經(jīng)生產(chǎn)完成，馬上就會開始安裝。我相信，這樣的規(guī)模應(yīng)該只有我們能做，只有中國能做。

江門實(shí)驗(yàn)觀測的是陽江核電站和臺山核電站發(fā)出的中微子。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求所有來自反應(yīng)堆的中微子振蕩，距離都要一樣，否則振蕩信號會因?yàn)橛写笥行《坏窒?。所以，?shí)驗(yàn)點(diǎn)與陽江、臺山核電站的距離要精確相同，而我們通過計(jì)算找到了這樣的位置。

江門中微子實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在有18個國家，77個研究機(jī)構(gòu)參加，共600多名科學(xué)家參與。預(yù)計(jì)2021年開始探測器的安裝，2023年正式開始取數(shù)。

那么我們能做些什么呢？

最重要的物理目標(biāo)是測量中微子的質(zhì)量順序，大概要花6年時間，但在這之前，就會得出很多物理結(jié)果。此外，要把其中3個振蕩參數(shù)測到世界上最精確的程度，然后研究太陽中微子;要通過探測來自地球的中微子事件，花6～10年時間確定地球物理模型;要用6～10年時間確定超新星的背景中微子。當(dāng)然，我們并不知道超新星什么時候爆發(fā)，從1987年到現(xiàn)在，人類再沒有觀測到過新的爆發(fā)，所以完全靠運(yùn)氣，但是我們愿意等。

同時，國際上還有兩個在建的、跟我們同時代（21世紀(jì)20年代）的實(shí)驗(yàn)——美國的沙丘實(shí)驗(yàn)和日本的頂級神岡探測器，都計(jì)劃在2027年建成。這3個實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有一些相同，但各有所長，互相補(bǔ)充。我們相信，在未來的30年中，可以做出很多有意思的成果，解決很多問題，回答很多關(guān)于中微子的未解之謎。

所以，未來的一二十年或者二三十年，關(guān)于中微子，一定會誕生更多更有意思的成果，值得我們翹首期盼。