在核电站内捕捉幽灵粒子

曹俊

幽灵粒子就是中微子，是构成物质世界的基本粒子。按照粒子物理标准模型的预测，中微子没有质量，也不会发生振荡，且很难探测，人类对它的认识很少。长期以来，中微子是人们在标准模型里认识得最不清楚的一种粒子，以前我们甚至认为根本就看不到它，所以把它叫作幽灵粒子。

1998年，粒子物理领域发生了一件大事，日本的超级神冈中微子探测实验，发现了中微子振荡，证明了中微子有质量。日本做出这个诺奖级的重要发现，并不是短时间达成的，故事要从日本物理学家小柴昌俊（1926—2020）讲起。

神冈实验的意外发现

小柴昌俊领导团队在日本建设了大型探测器——神冈，做了第一个实验，叫神冈实验。此后神冈探测器升级为超级神冈，小柴昌俊的学生梶田隆章，于1998年做成了超级神冈中微子探测实验。现在，日本正在修建顶级神冈探测器，预计2027年建成。在这个过程中，日本的中微子探测器不断升级，越修越大。

小柴昌俊的实验有两项核心技术，一项是他们发明的20英寸（50.8厘米）的光电倍增管（将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件），另一项就是挖坑灌水的技术（日本的中微子探测器像一个巨大的“水罐子”，以水作为探测介质;同时需要深入地下数百米，以阻隔其他宇宙射线的干扰）。从20世纪80年代开始，40多年时间，日本这个探测器的坑越挖越大，水越灌越多。当然，这其中还有很多其他技术。持续这么多年的工作和发现，才使他们的技术逐步提高。目前就对中微子的理解，日本仍然是世界上水平最高的。

小柴昌俊最开始的目的并不是研究中微子，这在中微子研究领域其实也比较普遍。关于中微子的研究结果，几乎没有和预想一致的，每次都会有意外发生，不管是研究太阳中微子、大气中微子，还是反应堆中微子，都会有反常，这些反常经常会带来新的重大的科学发现。

我们知道，组成整个宇宙的基本粒子有6种夸克、6种轻子，这些粒子通过强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力这3种力结合在一起，构成了整个宇宙。在6种轻子中，有3种中微子，叫作电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，可见其实我们研究的只是这个宇宙世界的1/4。

小柴昌俊最开始的实验目标是研究质子的衰变。普通世界由质子、中子组成，质子、中子则包含上夸克、下夸克和电子，但这其实只占物质粒子量的很小一部分，其他都是不稳定或我们看不见的粒子，比如中微子。小柴昌俊研究质子衰变的目的，是想尝试是否能把上面说的3种力统一起来。

在3种力中，电磁力的力程最长，是无穷长，弱力则只在原子核里发生相互作用，看起来它们完全不同，但通过粒子物理学的研究，发现这两种力其实是同一种，在宇宙诞生的最早期，它们是统一的。由此科学家自然想到，弱力跟电磁力是同一种力，那么会不会强力、弱力、电磁力这3种力都是同一种？会不会在能量更高或宇宙更早期的时候，这3种力就是统一的？如果是这样，就会带来质子衰变，而如果找到了质子衰变，就能找到粒子物理更基本的理论。这是神冈实验最初的目的。

但是，小柴昌俊在整个实验周期中都没有找到质子衰变，直到现在，我们都没有找到，当然还在继续找。但是此外，小柴昌俊看到了其他一些奇怪的现象——大气中微子的反常。

大气中微子反常

为什么会说到中微子呢？因为质子衰变即使存在，也非常稀少，为了准确看到它的信号，就必须剔除所有假信号。中微子就是其中一种假信号。我们知道，宇宙中有种现象叫超新星爆发，超新星爆发时就会放出很多中微子，虽然超新星的亮度超过了它所在的整个星系，但它99% 的能量是被中微子带走的;太阳在发热发光的同时，也会放出很多中微子，我们把它叫作太阳中微子;地球因为含有天然放射性元素，如铀、钍、钾，它们也会放出中微子，这也是地热的主要来源;核电站在原子核发生裂变时，就会放出很多中微子，比如一个典型的百万千瓦级的反应堆，每秒会放出35万亿亿个中微子;当然，我们还可以用加速器来产生中微子;甚至人的身体，其实也会放出中微子，因为我们身体里有钾，有钾就会有它的放射性同位素钾-40，一个人所带的钾-40的放射性活度约为5000贝克，即每秒会放出5000个中微子，那么一个人一天大概会放出3亿个中微子。

在研究质子衰变时，大气中微子会对它形成假信号。大气中微子来自高能宇宙射线。高能宇宙射线到达地球大气层后，跟大气中的原子核发生碰撞，产生很多中微子，这些中微子被探测器捕捉到后，很难跟质子衰变的信号分开。因此，就要把大气中微子产生了多少假信号研究清楚，然后剔除，才能看到质子衰变的信号。

在这一过程中，小柴昌俊的学生梶田隆章发现，大气中微子跟我们的预判不同，有很多中微子在到达途中丢失。至于為什么丢失，有人认为是因为发生了中微子振荡，有人认为不是，问题一直悬而未决。但是日本研究者非常幸运，就在1987年，小柴昌俊退休前几周，麦哲伦星系出现了一次超新星爆发——1987A，他们探测到了来自这颗超新星的中微子。这一研究成果在2002年获得了诺贝尔物理学奖。

在那之后日本开始建造更大的超级神冈实验，这是一个储水量5万吨（神冈为3000吨）的探测器，规模之大令人震惊，直到现在仍是世界上最大的中微子探测器。它的数据质量比神冈好很多，可以看到很清楚的中微子信号。

中微子振荡是一种量子干涉现象，跟波动一样，波动的振幅用θ表示。因为每一种中微子都会同时存在几个自己的本征态。

太阳中微子失踪

最早的中微子振荡迹象来自太阳中微子失踪之谜。

美国的戴维斯教授从20世纪60年代开始研究探测太阳中微子。他首次探测到来自太阳的中微子，证明了太阳的能源来自氢核聚变，因此获得了诺贝尔物理学奖。与此同时，他还发现，太阳中微子的个数只有我们预期的1/3，大部分的中微子都不见了。关于这一点的解释有很多种，但是没有一个令人信服的。

这个问题多年来悬而不决，一直到1984年，美国加州大学的一位华人物理学家陈华森，提出了一个非常天才的想法。他认为，我们既然无法用水看到太阳中微子的去向，那就用重水（也称氧化氘，分子式D2O），这样就能同时看到不同的中微子，从而判断中微子是真的丢了，还是变成了其他种类的中微子。但非常不幸的是，陈华森几年以后就因病去世了，这个实验就改由加拿大的麦克唐纳教授领导。麦克唐纳领导的萨德伯里实验在2001年发现，太阳中微子的丢失就是因为中微子的振荡。

中微子振荡背后可能蕴藏新理论

到了2002年，科学家基本都相信中微子是振荡的。2015年，上述两个实验的带头人梶田隆章和麦克唐纳，被授予了诺贝尔物理学奖，因为他们发现了中微子振荡，证实了中微子有质量。这是我们第一次用实验证明存在超出粒子物理标准模型的现象，它有可能会带来新物理的诞生。

其实有许多现象标准模型都解释不了，比如：

宇宙为什么会加速膨胀，是什么力推动它加速？我们到现在还不知道，所以把它叫作暗能量。标准模型中有强力、弱力、电磁力，暗能量是什么力？我们填不进去。另外就是银河系为什么能够存在。现在我们看到的所有星系转动的速度，都比预期要快，如果没有一个额外的引力存在，这些星系都会飞散。所以银河系之所以存在，一定是有一个额外的引力帮助凝聚了星系，我们把这个引力叫作暗物质。还有就是中微子为什么会有质量，在标准模型中，中微子是没有质量的，它如何产生，我们不知道;怎么去修改模型，使它与理论相符，我们也不知道，所以有很多问题等待解决。

一般来说，我们对中微子的研究，是有可能带来新理论的，会更好地解释宇宙的起源和演化。

我们看到了大气中微子的振荡，太阳中微子的振荡，其实还应该有一种振荡，我们把它叫作θ₁₃。

大亚湾实验：寻找第三种振荡

从以前的实验我们得知θ₁₃值一定很小。我们相信中微子振荡可能跟宇宙早期的物质-反物质不对称性有关。为什么宇宙能够存在，为什么现在看到的全是物质，我们觉得有可能中微子振荡能解释它。如果第三种振荡值是0，这种不对称性就不会存在，我们就没办法用中微子去解释宇宙早期的谜底。所以，中微子研究的下一步就是去寻找第三种振荡，这个就是我国大亚湾反应堆中微子实验（以下简称大亚湾实验）的起源。

这个实验非常重要， 国际上有很多竞争， 如法国的Double Chooz实验、韩国的RENO实验。我国在2003年左右提出了实验设想。现任中科院高能物理研究所所长王贻芳教授和美国加州大学陆锦彪教授，是大亚湾实验的创始人。

为什么选择在大亚湾？因为做这种实验，首先需要反应堆的功率越大越好。功率越大，看到的中微子数就越多，实验就测得越准确。其次，我们需要反应堆的旁边有山。因为不管是中微子实验还是暗物质实验，研究的对象都是非常稀有的事例，会有很多假信号干扰，因此需要把它埋在山里，过滤假信号。大亚湾核电站就是全世界做这个实验最好的地方。

大亚湾实验的探测器于2011年底完成安装。但此前，日本的一个实验说他们找到了发现第三种振荡的很大可能。原则上说，他们有可能是最先发现第三种振荡模式的。但是比较不幸， 2011年3月的福岛地震损坏了他们的仪器，导致实验暂时搁浅。而我们的实验做了这么久，如果成果落后就太可惜了。所以当时就改变了计划，原计划安装8个探测器，实际只放了6个探测器后实验就开始取数。最终，在2012年，中国在日本和韩国之前最先发现了中微子的第三种振荡θ₁₃，打开了中微子研究的新大门。

这一成果的发现，对全世界科学家都是一个很好的消息，体现在两个方面：第一，θ₁₃不为0，就意味着是中微子振荡导致了宇宙早期的反物质消失，只留下正物质构成我们的世界。第二，后来我们还进行了如中微子的质量排序等一些其他研究。如果θ₁₃值很小，以现有的技术，我们根本无法进行这些后续的实验;如果θ₁₃值很大，实验就可以深入。所以当我们测出θ₁₃值很大以后，国际上新一代的中微子实验都开始部署。现在，日本的顶级神冈试验、我们的江门中微子实验、美国的沙丘实验（即DUNE，深层地下中微子实验）都已经开始了建造。

在大亚湾实验2012—2020年近9年的数据中，我们除了发现中微子振荡，还做了3件事：第一，把振荡的精度从20% 提高到了3%;第二，测量了反应堆中微子能谱;第三，排除了美国实验认为可能存在第4种中微子的空间。其中两项都不在我们的原来计划中，发现反应堆中的能谱跟预期设想也不一样，至于为什么会跟理论差那么多，我们现在还不是很清楚。所以，我们正在做一个台山中微子实验（江门中微子实验的一部分）去理解这些问题。

升级版的未来：江门中微子实验

大亚湾实验停止并不代表中微子实验的结束。实际上，我们正在做一个更大、更好的中微子实验，叫作江门中微子实验（以下简称江门实验）。它的主要物理目标，一是测量中微子的质量顺序，二是测量中微子的CPE相角。这个实验会在地下700米修一个20000吨的探测器，采用4万个光电倍增管。

为了完成这个实验，要修建一个现在国内最大的地下洞室，做一款世界上探测效率最高的光电倍增管，以及国际上最大的（12层楼高，直径35.4米）有机玻璃容器。在这之前，国际上最大的这一设备，是2015年凭借中微子探测试验成果获得诺贝尔物理学奖的科学家阿瑟·麦克唐纳所使

用的加拿大的实验装置，直径12米，我们的直径是它的近3倍，体积近20倍。因为探测器很大，所以要求中间灌装的液体闪烁体的透明度达到最高，所以，我们还要做世界上最透明的液体闪烁体。这是对江门中微子实验的四大挑战。

其实，这些技术从大亚湾实验开始就在研究，现在，我们在每一个方面的核心技术上都有很大突破。

比如光电倍增管。大亚湾实验时，因为国内做不出，是从日本购进的。2008年，我们经过很多次嘗试，跟研究所和两家不同的公司合作，一直到2017年，终于用全新工艺生产出了自己的光电倍增管，量子效率比日本的还要好。

比如有机玻璃球。大亚湾实验时，全国都没有厂家敢接这个制作，因为要求非常高，精度要达到3～5毫米。而到江门实验时，需要更大的有机玻璃球，我们经过调研，非常高兴地发现，才过了几年，国内的加工实力提高得非常快，生产基本没问题。所以我们现在是在跟国内公司合作生产，且大部分部件都已经生产完成，马上就会开始安装。我相信，这样的规模应该只有我们能做，只有中国能做。

江门实验观测的是阳江核电站和台山核电站发出的中微子。因为实验要求所有来自反应堆的中微子振荡，距离都要一样，否则振荡信号会因为有大有小而被抵消。所以，实验点与阳江、台山核电站的距离要精确相同，而我们通过计算找到了这样的位置。

江门中微子实验，现在有18个国家，77个研究机构参加，共600多名科学家参与。预计2021年开始探测器的安装，2023年正式开始取数。

那么我们能做些什么呢？

最重要的物理目标是测量中微子的质量顺序，大概要花6年时间，但在这之前，就会得出很多物理结果。此外，要把其中3个振荡参数测到世界上最精确的程度，然后研究太阳中微子;要通过探测来自地球的中微子事件，花6～10年时间确定地球物理模型;要用6～10年时间确定超新星的背景中微子。当然，我们并不知道超新星什么时候爆发，从1987年到现在，人类再没有观测到过新的爆发，所以完全靠运气，但是我们愿意等。

同时，国际上还有两个在建的、跟我们同时代（21世纪20年代）的实验——美国的沙丘实验和日本的顶级神冈探测器，都计划在2027年建成。这3个实验目标有一些相同，但各有所长，互相补充。我们相信，在未来的30年中，可以做出很多有意思的成果，解决很多问题，回答很多关于中微子的未解之谜。

所以，未来的一二十年或者二三十年，关于中微子，一定会诞生更多更有意思的成果，值得我们翘首期盼。