趙潔演講視頻：

以下為趙潔演講實(shí)錄：

2021.05.22 深圳

歡迎大家來到中微子的世界。今天我要講的是《捉住幽靈粒子，捉住1/4個(gè)世界》，這個(gè)題目聽起來有點(diǎn)科幻，什么是幽靈粒子，為什么又是1/4世界？接下來我會(huì)為大家一一解答。

我們對地球以外的宇宙有著自然的好奇，那我想問大家一個(gè)問題，觀測宇宙的方式有哪些？最直接的方式莫過于抬頭看天，看漫天的星辰，如果想要看得更清晰一點(diǎn)，我們可能需要借助一架專業(yè)的天文望遠(yuǎn)鏡，除了這種直接向上的探索方式以外，我們科研工作者還會(huì)在深深的地下挖一個(gè)巨大的洞，然后等待來自宇宙的使者到達(dá)我們身邊，被我們捕捉到。我們江門中微子實(shí)驗(yàn)計(jì)劃就是在高山下面700米深的位置，挖一個(gè)十幾層樓高的大洞，來捕捉來自宇宙的幽靈粒子——中微子。

中微子這個(gè)詞聽起來好像有點(diǎn)陌生，感覺和我們的生活也沒有什么關(guān)系，但事實(shí)上，中微子是我們生活當(dāng)中的?？停菬o處不在的。構(gòu)成我們物質(zhì)世界的基本粒子有12種，其中有3種，是不同類型的中微子，因此它也是構(gòu)成我們物質(zhì)世界的那1/4。中微子是所有基本粒子當(dāng)中最小的，以我們比較熟悉的基本粒子——電子為例，電子的質(zhì)量大概是10的負(fù)27次方克這樣一個(gè)數(shù)量級，那么中微子有多小呢，它的質(zhì)量還不到電子的百萬分之一。

科學(xué)家們普遍認(rèn)為，現(xiàn)在的宇宙來自于Big Bang，也就是大爆炸，它能夠解釋宇宙的起源和演化，并得到科學(xué)研究和觀測的一些支持，大爆炸的時(shí)候產(chǎn)生了非常多的中微子，且中微子還伴隨著宇宙天體的整個(gè)演化過程，比如說超新星爆發(fā)，太陽核聚變發(fā)光發(fā)熱，都會(huì)產(chǎn)生大量的中微子；而穿梭于宇宙當(dāng)中的宇宙射線，在到達(dá)地球穿過大氣層時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生大量的中微子；我們所居住的地球，也是一個(gè)非常大的中微子源；甚至于我們身體，由于我們體內(nèi)和每天攝入的食物里面富含有鉀元素，因此人體也是一個(gè)中微子源，每個(gè)人每天都能釋放出3億多個(gè)中微子。除了這些天然的中微子源以外，中微子還可以被人工造出來，比如說反應(yīng)堆的核裂變，加速器的束流打靶，都是可以產(chǎn)生中微子的。

現(xiàn)在我們知道，中微子在我們周圍甚至在整個(gè)宇宙當(dāng)中都是普遍存在的，那為什么我們卻感覺不到它的存在呢？實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中微子有一個(gè)非常神奇的特性，它具有極強(qiáng)的穿透性，比如每十萬億個(gè)太陽放出的中微子，在穿過地球的過程中，僅有一顆中微子，是有可能和地球發(fā)生相互作用的，所以說中微子被稱為宇宙的幽靈粒子。

與地球反應(yīng)的中微子非常稀少 | Fermilab

這意味著，以人體為例，每秒鐘都有萬億個(gè)中微子穿過身體，而我們沒有任何感覺，如果中微子沒有這種隱身特性的話，那我們現(xiàn)在就不可能安穩(wěn)地坐在這兒了，人體瞬間就會(huì)被萬億個(gè)中微子打成一個(gè)篩子。

中微子的這個(gè)特性也使得它很難被捕捉到，它在1930年被沃爾夫?qū)づ堇A(yù)言，但直到歷時(shí)26年以后，才被弗雷德里克·萊因斯和克萊德·科溫，兩位物理學(xué)家在反應(yīng)堆旁邊給捕捉到了，直接證實(shí)了中微子是實(shí)際存在的，發(fā)現(xiàn)者也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中微子的發(fā)現(xiàn)，使中微子的研究變得火熱起來，在幾十年的不斷探索中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)中微子不僅會(huì)隱身，它還會(huì)變身，什么意思呢？中微子在接近光速的傳播過程中，它能夠從一種類型的中微子，轉(zhuǎn)變成另外一種類型的中微子，更神奇的是它還能夠變回它自己，我們稱這種現(xiàn)象叫中微子振蕩現(xiàn)象，舉個(gè)例子，一家有三姐妹，老大、老二和老三，老大在路上走得好好的，走著走著卻變成了老二，這有點(diǎn)像中微子第一種振蕩模式，它是被加拿大的SNO實(shí)驗(yàn)，通過觀測太陽放出的中微子而觀測到的。

左：SNO實(shí)驗(yàn)阿瑟·麥克唐納；右：超級神岡實(shí)驗(yàn)梶田隆章 | Nobel Media AB. Photo

老二繼續(xù)往前走，她走著走著又變成了老三，有點(diǎn)像中微子的第二種振蕩模式，它是被日本的超級神岡實(shí)驗(yàn)，通過觀測大氣產(chǎn)生的中微子而觀測到的，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)也因?yàn)橹苯佑^測到了中微子振蕩，證明中微子是有質(zhì)量的，而獲得了2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

剛才我提到過，中微子有三種類型，很自然地人們就會(huì)問，老大能不能直接變成老三？也就是，中微子是否存在第三種振蕩模式？第三種振蕩模式是否存在，或者這種概率是否足夠大，將直接決定著能否在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上去研究中微子的其他未知性質(zhì)，以及解決宇宙正反物質(zhì)不對稱之謎等等。

基于驗(yàn)證中微子第三種振蕩模式的重要性，國際多個(gè)國家提出了很多的實(shí)驗(yàn)方案——

8個(gè)探測第三種振蕩模式的反應(yīng)堆 | 地圖素材來自www.rawpixel.com

這張圖中列出來的是8個(gè)反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)方案，里面也包括中國的大亞灣實(shí)驗(yàn)，在大亞灣實(shí)驗(yàn)之前，我國沒有經(jīng)驗(yàn)建設(shè)中微子探測器，而競爭對手來自美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家，他們有經(jīng)驗(yàn)非常豐富的團(tuán)隊(duì)。但是大亞灣有非常好的先天地理優(yōu)勢，所以美國人放棄在自己本土搭建探測器，帶著人和錢，加入到我們的大亞灣實(shí)驗(yàn)當(dāng)中。圖中雖然有非常多的實(shí)驗(yàn)方案，但因?yàn)楦鞣N原因，有的沒有正常開展或者運(yùn)行，最終參與角逐的只有法國的Double-Chooz，韓國的RENO，還有中國的大亞灣實(shí)驗(yàn)，誰最先測到第三種振蕩模式，誰就能夠贏得這場重量級的全球競賽。

大亞灣實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榻ㄔO(shè)在廣東省大亞灣核電站附近而得名，十年前我作為大亞灣實(shí)驗(yàn)的親歷者，有幸參與到最后的建設(shè)當(dāng)中。2011年年底的時(shí)候，按照原本建設(shè)8個(gè)探測設(shè)備的計(jì)劃，我們只建成了6個(gè)，但當(dāng)時(shí)的國際競爭可謂到了爭分奪秒的階段，因?yàn)轫n國的RENO實(shí)驗(yàn)已于當(dāng)年的8月份開始取數(shù)，隨時(shí)有可能公布成果，我們大亞灣實(shí)驗(yàn)合作組當(dāng)機(jī)立斷，下決心提前啟動(dòng)裝置，捕捉中微子。

記得很清楚，那是2011年12月24日，也就是圣誕節(jié)的前一天，我們大亞灣實(shí)驗(yàn)開始6個(gè)探測裝置的取數(shù)，最終證明這是一個(gè)非常聰明的決定，我們觀測到了反應(yīng)堆中微子振蕩，領(lǐng)先于另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，第一次看到了中微子第三種振蕩模式，這一重要成果入選了美國科學(xué)雜志評選的2012年度十大突破，并被贊譽(yù)為中國有史以來最重要的物理學(xué)成果。2016年的國際基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)，頒給了五個(gè)中微子振蕩實(shí)驗(yàn)，其中也包括大亞灣實(shí)驗(yàn)，這是中國科學(xué)家和以中國科學(xué)家為主的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)首次獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。同時(shí)我們也獲得了國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)、未來科學(xué)大獎(jiǎng)等等。

在獲得這一重要成果后，我們在2012年的夏天暫停取數(shù)，完成了剩余探測設(shè)備的安裝，開始對中微子振蕩進(jìn)行精確測量。十年磨一劍，2003年我們首次提出了實(shí)驗(yàn)方案，到2012年我們發(fā)現(xiàn)了重要的物理學(xué)成果，我國在中微子實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域從零起步，一步步走到了國際領(lǐng)先的水平。

大亞灣實(shí)驗(yàn)于2020年光榮退役 | 劉悅湘供圖

去年底，大亞灣實(shí)驗(yàn)退役了，但是大亞灣實(shí)驗(yàn)不是終點(diǎn)而是起點(diǎn)，因?yàn)橹形⒆邮澜邕€有非常多的未解之謎，比如中微子的絕對質(zhì)量有多少，三種中微子誰重誰輕，能否利用中微子解決宇宙中正反物質(zhì)不對稱之謎？大亞灣的重要成果，為下一代中微子實(shí)驗(yàn)打開了一扇門，使得我們可以在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究中微子性質(zhì)。

剛才我們提到，中微子是基本粒子當(dāng)中最小的，它的質(zhì)量還不到電子的百萬分之一，現(xiàn)在國內(nèi)外還沒有任何實(shí)驗(yàn)，能夠測量到它的絕對質(zhì)量是多少，但是我們可以通過測量中微子振蕩現(xiàn)象，來得到兩種中微子的質(zhì)量差，從而可以對三種中微子進(jìn)行質(zhì)量排序。

世界上用于質(zhì)量測序的實(shí)驗(yàn)方案地 | 地圖素材來自www.rawpixel.com

針對這樣一個(gè)未解的科學(xué)問題，新一輪的國際競爭再次展開，這張圖中列出來的，都是可以用來測量質(zhì)量順序的實(shí)驗(yàn)方案，其中包括美國、歐洲、日本、印度，還有在我們中國的江門中微子實(shí)驗(yàn)。江門中微子實(shí)驗(yàn)建造在廣東省江門市，計(jì)劃在開平打石山下700米深的位置，挖一個(gè)十幾層樓高的大洞，用來捕捉來自宇宙和反應(yīng)堆的中微子。相比大亞灣實(shí)驗(yàn)，我們江門實(shí)驗(yàn)的探測設(shè)備，比大亞灣要大了一千倍，這對我們來說是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

講了這么多，大家可能很好奇，中微子會(huì)隱身還會(huì)變身，那是怎么被捕捉到的？我們捕捉中微子不是靠肉眼去看，因?yàn)樵谒械幕玖Ｗ赢?dāng)中，除了特定波長的光子以外，其他的粒子都是肉眼不可見的，我們需要借助于極精密的儀器去探測它，把它們身上攜帶的信息，轉(zhuǎn)化成我們可以看得懂的量，這樣我們就看到它了，接下來一個(gè)視頻演示，來展現(xiàn)中微子在我們的探測器里面是什么樣子。

當(dāng)外界一個(gè)中微子打到探測器里面，它有一定概率，可以和探測介質(zhì)發(fā)生相互作用，同時(shí)會(huì)發(fā)出微弱的熒光，這個(gè)熒光被周圍極靈敏的光學(xué)器件捕捉到，并放大一千萬倍，我們就看到這個(gè)中微子了。大亞灣實(shí)驗(yàn)是建造在本土的實(shí)驗(yàn)，這樣先天的優(yōu)勢使得我們可以培養(yǎng)出一批國際一流的科學(xué)家，并且積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。但相比大亞灣實(shí)驗(yàn)，江門實(shí)驗(yàn)的探測裝置畢竟大了一千倍，自然也有非常多的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，剛才提到過中微子發(fā)出的微弱信號，是被遍布周圍的光學(xué)器件捕捉到的，這就要求我們有非常好、極其精密的光學(xué)器件去探測它，這種光學(xué)器件是光電倍增管。

用于捕捉信號的光電倍增管 | 劉悅湘供圖

在江門實(shí)驗(yàn)之前，這種高品質(zhì)20英寸光電倍增管，只有日本一個(gè)廠家可以生產(chǎn)，價(jià)格是極其昂貴的，也是制約實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的一個(gè)重要因素。于是我們下定決心自主研發(fā)，經(jīng)過十年時(shí)間，我們研發(fā)出了國際一流的光電倍增管，并且大批量地用在了江門實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本。

中微子雖然非常多，但它具有極強(qiáng)的穿透性，所以最終能被捕獲的只是鳳毛麟角，而周圍的環(huán)境、天上的宇宙線，還有探測器的材料等等，都可以帶來非常多的非中微子事例，數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中微子數(shù)量。

舉個(gè)形象的例子，我們尋找中微子，就如同在一百萬顆黃豆里面去挑一顆綠豆，要想快速準(zhǔn)確地挑出中微子這顆綠豆，就需要盡最大可能壓低黃豆數(shù)，我們把這么一個(gè)巨型的探測器，安裝在深深的地下，一個(gè)重要目的就是降低來自宇宙射線的非中微子事例。我的主要工作，就是盡最大的可能去降低江門探測器材料所帶來的非中微子事例，為江門實(shí)驗(yàn)保駕護(hù)航。

江門探測器結(jié)構(gòu)示意圖 | 江門實(shí)驗(yàn)合作組供圖

這張圖是我們江門探測器的一個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖，十幾層樓高的巨大水晶球，是由600噸高透明度有機(jī)玻璃搭建而成，里面將要灌裝2萬噸最透明的液體閃爍體，用來捕捉中微子。這個(gè)液體要多透明呢？大家可以想象一下，兩萬噸的液體里面，如果混入0.01克灰塵，這個(gè)液體就是不合格的。這么一個(gè)巨型水晶球，被一千噸最干凈的不銹鋼支撐起來，并浸泡在3.5萬噸超級純凈的水里面，所有這些措施都是為了降低周圍環(huán)境、巖石、殘余宇宙射線帶來的非中微子事例。

值得驕傲的是，江門探測器的所有主材料，全部高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，極大地降低了我們實(shí)驗(yàn)的成本。

江門實(shí)驗(yàn)在2015年1月開始破土動(dòng)工，在挖掘的過程中也遇見到了非常多未預(yù)料到的問題。

動(dòng)工過程中遇到地下漏水問題 | 劉悅湘供圖

最為嚴(yán)重的就是如上圖所示的地下漏水問題，嚴(yán)重影響了我們的施工進(jìn)度。經(jīng)過6年艱苦卓絕地挖掘，克服現(xiàn)場種種困難，最終我們在地下挖出了實(shí)驗(yàn)大廳。

通往地下實(shí)驗(yàn)室的斜井隧道 | 劉悅湘供圖

這兩張圖就是通往地下實(shí)驗(yàn)廳的斜井隧道。

江門實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)大廳 | 劉悅湘供圖

這張圖是我們在700米山下，挖出的40多米高的一個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳。

在實(shí)驗(yàn)大廳底部焊接不銹鋼 | 劉悅湘供圖

這張圖是我們正在實(shí)驗(yàn)大廳底部去焊接不銹鋼。計(jì)劃在今年秋天，開始探測器主結(jié)構(gòu)的搭建。

盛放最透明液體的不銹鋼容器 | 劉悅湘供圖

這張圖是我們用來盛放兩萬噸最透明液體的不銹鋼容器，圖中工作人員穿戴潔凈服，已經(jīng)完成了對整個(gè)容器的清潔工作，計(jì)劃在明年秋天開始液體的灌裝。

江門實(shí)驗(yàn)計(jì)劃2023年開始取數(shù) | 劉悅湘供圖

現(xiàn)在江門實(shí)驗(yàn)正在火熱地建設(shè)當(dāng)中，計(jì)劃2023年開始取數(shù)。我們目前對于中微子的研究還主要集中于它的基本性質(zhì)測量，也就是停留在基礎(chǔ)科學(xué)層面。但是，今天的科學(xué)是明天的技術(shù)，中微子獨(dú)特的性質(zhì)，使得它有可能會(huì)為未來通信和維護(hù)人類和平做出重要貢獻(xiàn)。但從基礎(chǔ)科學(xué)到技術(shù)轉(zhuǎn)化，這是需要一代代科學(xué)家持續(xù)努力的。

讓我們拭目以待吧，謝謝大家。

演講嘉賓趙潔：《捉住幽靈粒子，捉住1/4個(gè)世界》 | 拍攝：Vphoto

作者：趙潔

監(jiān)制：吳歐

策劃：吳歐

編輯：酥魚 蔡祎

排版：尹寧流

校對：蔡祎