在核電站內捕捉幽靈粒子

曹俊

幽靈粒子就是中微子，是構成物質世界的基本粒子。按照粒子物理標準模型的預測，中微子沒有質量，也不會發生振蕩，且很難探測，人類對它的認識很少。長期以來，中微子是人們在標準模型里認識得最不清楚的一種粒子，以前我們甚至認為根本就看不到它，所以把它叫作幽靈粒子。

1998年，粒子物理領域發生了一件大事，日本的超級神岡中微子探測實驗，發現了中微子振蕩，證明了中微子有質量。日本做出這個諾獎級的重要發現，并不是短時間達成的，故事要從日本物理學家小柴昌俊（1926—2020）講起。

神岡實驗的意外發現

小柴昌俊領導團隊在日本建設了大型探測器——神岡，做了第一個實驗，叫神岡實驗。此后神岡探測器升級為超級神岡，小柴昌俊的學生梶田隆章，于1998年做成了超級神岡中微子探測實驗。現在，日本正在修建頂級神岡探測器，預計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。

小柴昌俊的實驗有兩項核心技術，一項是他們發明的20英寸（50.8厘米）的光電倍增管（將微弱光信號轉換成電信號的真空電子器件），另一項就是挖坑灌水的技術（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;同時需要深入地下數百米，以阻隔其他宇宙射線的干擾）。從20世紀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。當然，這其中還有很多其他技術。持續這么多年的工作和發現，才使他們的技術逐步提高。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，這在中微子研究領域其實也比較普遍。關于中微子的研究結果，幾乎沒有和預想一致的，每次都會有意外發生，不管是研究太陽中微子、大氣中微子，還是反應堆中微子，都會有反常，這些反常經常會帶來新的重大的科學發現。

我們知道，組成整個宇宙的基本粒子有6種夸克、6種輕子，這些粒子通過強相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力這3種力結合在一起，構成了整個宇宙。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驗目標是研究質子的衰變。普通世界由質子、中子組成，質子、中子則包含上夸克、下夸克和電子，但這其實只占物質粒子量的很小一部分，其他都是不穩定或我們看不見的粒子，比如中微子。小柴昌俊研究質子衰變的目的，是想嘗試是否能把上面說的3種力統一起來。

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生相互作用，看起來它們完全不同，但通過粒子物理學的研究，發現這兩種力其實是同一種，在宇宙誕生的最早期，它們是統一的。由此科學家自然想到，弱力跟電磁力是同一種力，那么會不會強力、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種力就是統一的？如果是這樣，就會帶來質子衰變，而如果找到了質子衰變，就能找到粒子物理更基本的理論。這是神岡實驗最初的目的。

但是，小柴昌俊在整個實驗周期中都沒有找到質子衰變，直到現在，我們都沒有找到，當然還在繼續找。但是此外，小柴昌俊看到了其他一些奇怪的現象——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？因為質子衰變即使存在，也非常稀少，為了準確看到它的信號，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，宇宙中有種現象叫超新星爆發，超新星爆發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;太陽在發熱發光的同時，也會放出很多中微子，我們把它叫作太陽中微子;地球因為含有天然放射性元素，如鈾、釷、鉀，它們也會放出中微子，這也是地熱的主要來源;核電站在原子核發生裂變時，就會放出很多中微子，比如一個典型的百萬千瓦級的反應堆，每秒會放出35萬億億個中微子;當然，我們還可以用加速器來產生中微子;甚至人的身體，其實也會放出中微子，因為我們身體里有鉀，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。高能宇宙射線到達地球大氣層后，跟大氣中的原子核發生碰撞，產生很多中微子，這些中微子被探測器捕捉到后，很難跟質子衰變的信號分開。因此，就要把大氣中微子產生了多少假信號研究清楚，然后剔除，才能看到質子衰變的信號。

在這一過程中，小柴昌俊的學生梶田隆章發現，大氣中微子跟我們的預判不同，有很多中微子在到達途中丟失。至于為什么丟失，有人認為是因為發生了中微子振蕩，有人認為不是，問題一直懸而未決。但是日本研究者非常幸運，就在1987年，小柴昌俊退休前幾周，麥哲倫星系出現了一次超新星爆發——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獎。

在那之后日本開始建造更大的超級神岡實驗，這是一個儲水量5萬噸（神岡為3000噸）的探測器，規模之大令人震驚，直到現在仍是世界上最大的中微子探測器。它的數據質量比神岡好很多，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象，跟波動一樣，波動的振幅用θ表示。因為每一種中微子都會同時存在幾個自己的本征態。

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獎。與此同時，他還發現，太陽中微子的個數只有我們預期的1/3，大部分的中微子都不見了。關于這一點的解釋有很多種，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，美國加州大學的一位華人物理學家陳華森，提出了一個非常天才的想法。他認為，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，這個實驗就改由加拿大的麥克唐納教授領導。麥克唐納領導的薩德伯里實驗在2001年發現，太陽中微子的丟失就是因為中微子的振蕩。

中微子振蕩背后可能蘊藏新理論

到了2002年，科學家基本都相信中微子是振蕩的。2015年，上述兩個實驗的帶頭人梶田隆章和麥克唐納，被授予了諾貝爾物理學獎，因為他們發現了中微子振蕩，證實了中微子有質量。這是我們第一次用實驗證明存在超出粒子物理標準模型的現象，它有可能會帶來新物理的誕生。

其實有許多現象標準模型都解釋不了，比如：

宇宙為什么會加速膨脹，是什么力推動它加速？我們到現在還不知道，所以把它叫作暗能量。標準模型中有強力、弱力、電磁力，暗能量是什么力？我們填不進去。另外就是銀河系為什么能夠存在。現在我們看到的所有星系轉動的速度，都比預期要快，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。還有就是中微子為什么會有質量，在標準模型中，中微子是沒有質量的，它如何產生，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，其實還應該有一種振蕩，我們把它叫作θ₁₃。

大亞灣實驗：尋找第三種振蕩

從以前的實驗我們得知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-反物質不對稱性有關。為什么宇宙能夠存在，為什么現在看到的全是物質，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堆中微子實驗（以下簡稱大亞灣實驗）的起源。

這個實驗非常重要， 國際上有很多競爭， 如法國的Double Chooz實驗、韓國的RENO實驗。我國在2003年左右提出了實驗設想。現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陸錦彪教授，是大亞灣實驗的創始人。

為什么選擇在大亞灣？因為做這種實驗，首先需要反應堆的功率越大越好。功率越大，看到的中微子數就越多，實驗就測得越準確。其次，我們需要反應堆的旁邊有山。因為不管是中微子實驗還是暗物質實驗，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驗最好的地方。

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

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

在大亞灣實驗2012—2020年近9年的數據中，我們除了發現中微子振蕩，還做了3件事：第一，把振蕩的精度從20% 提高到了3%;第二，測量了反應堆中微子能譜;第三，排除了美國實驗認為可能存在第4種中微子的空間。其中兩項都不在我們的原來計劃中，發現反應堆中的能譜跟預期設想也不一樣，至于為什么會跟理論差那么多，我們現在還不是很清楚。所以，我們正在做一個臺山中微子實驗（江門中微子實驗的一部分）去理解這些問題。

升級版的未來：江門中微子實驗

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

為了完成這個實驗，要修建一個現在國內最大的地下洞室，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）有機玻璃容器。在這之前，國際上最大的這一設備，是2015年憑借中微子探測試驗成果獲得諾貝爾物理學獎的科學家阿瑟·麥克唐納所使

用的加拿大的實驗裝置，直徑12米，我們的直徑是它的近3倍，體積近20倍。因為探測器很大，所以要求中間灌裝的液體閃爍體的透明度達到最高，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驗的四大挑戰。

其實，這些技術從大亞灣實驗開始就在研究，現在，我們在每一個方面的核心技術上都有很大突破。

比如光電倍增管。大亞灣實驗時，因為國內做不出，是從日本購進的。2008年，我們經過很多次嘗試，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。

比如有機玻璃球。大亞灣實驗時，全國都沒有廠家敢接這個制作，因為要求非常高，精度要達到3～5毫米。而到江門實驗時，需要更大的有機玻璃球，我們經過調研，非常高興地發現，才過了幾年，國內的加工實力提高得非常快，生產基本沒問題。所以我們現在是在跟國內公司合作生產，且大部分部件都已經生產完成，馬上就會開始安裝。我相信，這樣的規模應該只有我們能做，只有中國能做。

江門實驗觀測的是陽江核電站和臺山核電站發出的中微子。因為實驗要求所有來自反應堆的中微子振蕩，距離都要一樣，否則振蕩信號會因為有大有小而被抵消。所以，實驗點與陽江、臺山核電站的距離要精確相同，而我們通過計算找到了這樣的位置。

江門中微子實驗，現在有18個國家，77個研究機構參加，共600多名科學家參與。預計2021年開始探測器的安裝，2023年正式開始取數。

那么我們能做些什么呢？

最重要的物理目標是測量中微子的質量順序，大概要花6年時間，但在這之前，就會得出很多物理結果。此外，要把其中3個振蕩參數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。當然，我們并不知道超新星什么時候爆發，從1987年到現在，人類再沒有觀測到過新的爆發，所以完全靠運氣，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20年代）的實驗——美國的沙丘實驗和日本的頂級神岡探測器，都計劃在2027年建成。這3個實驗目標有一些相同，但各有所長，互相補充。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。