中國(guó)中微子探索研究之路

Triumph 2021-07-24

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曹俊：中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員、副所長(zhǎng)，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)共同發(fā)言人，江門中微子實(shí)驗(yàn)副發(fā)言人。研究方向?yàn)橹形⒆游锢砼c探測(cè)技術(shù)，作為主要人員曾獲國(guó)家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。

（內(nèi)容來(lái)自墨子沙龍“中國(guó)的大科學(xué)裝置”活動(dòng)）

今天我報(bào)告的題目是“核電站內(nèi)捕捉幽靈粒子”，主要是介紹大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)，以及我們現(xiàn)在正在進(jìn)行的江門中微子實(shí)驗(yàn)。

這里的幽靈粒子就是指中微子，因?yàn)橹形⒆雍茈y探測(cè)，我們?nèi)祟悓?duì)它的認(rèn)識(shí)很少，以前我們甚至認(rèn)為根本就看不到它，所以把它叫做幽靈粒子。而大亞灣實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)探測(cè)中微子的實(shí)驗(yàn)。

在我1998年從高能物理所博士畢業(yè)后不久，我們這個(gè)領(lǐng)域發(fā)生了一件大事兒，日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩。我那時(shí)候雖然不是做中微子研究的，但是印象非常深刻。1998年的時(shí)候，我相信大部分人都還沒(méi)有用過(guò)網(wǎng)絡(luò)，也不是每個(gè)人都有電腦，我們?cè)谵k公室有個(gè)機(jī)房，里面有一個(gè)惠普工作站，1998年的6月5號(hào)，在日本的高山召開(kāi)國(guó)際中微子大會(huì)，他們有網(wǎng)頁(yè)，有透明片傳過(guò)來(lái)，但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)很慢，所以我們每一張透明片都要等很久，我們好幾個(gè)學(xué)生圍在那兒，等著片子從日本一張一張地傳過(guò)來(lái)。

這就是其中的一張片子，展示了日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩。這里最大的一個(gè)字就是6.2σ，表示達(dá)到了6.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，在我們粒子物理里面，一個(gè)發(fā)現(xiàn)如果超出了5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，就可被確認(rèn)為是一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。那時(shí)候還沒(méi)有PPT，梶田隆章當(dāng)時(shí)報(bào)告的時(shí)候拿的幻燈片，是用手寫的，然后一張張放過(guò)去。

第二天，美國(guó)總統(tǒng)克林頓到MIT去做畢業(yè)生的演講，他說(shuō)到：“就在昨天，日本科學(xué)家宣布了一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)微小的中微子具有質(zhì)量。這個(gè)可能對(duì)大部分的美國(guó)人來(lái)說(shuō)并不意味著什么，但是它也許會(huì)改變我們最基本的理論，從最小的粒子的性質(zhì)到我們宇宙是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的，以及它是怎么膨脹的。同時(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)也對(duì)華盛頓幾年前決定放棄超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的決定提出了一些疑問(wèn)。更大的問(wèn)題是，這些發(fā)現(xiàn)它的意義不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室，它們影響我們整個(gè)的社會(huì)，不僅僅是經(jīng)濟(jì)，也有我們對(duì)人生的看法，以及我們對(duì)人們之間相互關(guān)系的看法”。我在做科普演講時(shí)，經(jīng)常會(huì)感到很尷尬，因?yàn)榇蠹铱倳?huì)提問(wèn)中微子有什么用，這個(gè)問(wèn)題很難回答?？上覜](méi)有機(jī)會(huì)見(jiàn)到克林頓，如果我能見(jiàn)到他，我想很好的請(qǐng)教一下，中微子到底是怎么能夠改變我們?nèi)穗H之間關(guān)系的？

日本做出這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，并不是短時(shí)間的，這個(gè)故事應(yīng)該從尾田隆章的老師小柴昌俊開(kāi)始講起。小柴昌俊在1983年的時(shí)候在日本做了第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，叫神岡實(shí)驗(yàn)，后來(lái)他的學(xué)生就是梶田隆章這一輩，做成了超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)。日本現(xiàn)在正在修建頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，計(jì)劃2027年建成，探測(cè)器越修越大。

小柴昌俊的實(shí)驗(yàn)，有兩項(xiàng)核心技術(shù)，一項(xiàng)就是他們發(fā)明的20英寸的光電倍增管；另外一項(xiàng)核心技術(shù)就是挖坑灌水的技術(shù)。從1980年代開(kāi)始一直到現(xiàn)在，40多年時(shí)間，坑越挖越大，水越灌越多，當(dāng)然不是簡(jiǎn)單的挖個(gè)坑灌個(gè)水就行的，而是里面有很多技術(shù)。持續(xù)這么多年的發(fā)現(xiàn)，持續(xù)這么多年的工作，才能使他們的技術(shù)逐步的提高，對(duì)中微子的理解，現(xiàn)在日本仍然是世界上水平最高的。

不過(guò)小柴昌俊最開(kāi)始的目的并不是去研究中微子，這在中微子研究領(lǐng)域其實(shí)也比較普遍，我們關(guān)于中微子的研究，幾乎沒(méi)有跟我們所想一樣的，每次都會(huì)有意外發(fā)生，不管是我們研究太陽(yáng)中微子、大氣中微子，還是反應(yīng)堆中微子都會(huì)有反常，然后這些反常經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致新的重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

我們知道組成整個(gè)宇宙的粒子有六種夸克，六種輕子，這些粒子通過(guò)強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力結(jié)合在一起，這樣構(gòu)成了我們整個(gè)的宇宙。在六種輕子里面有三種中微子叫電子中微子，繆子中微子，還有陶子中微子。實(shí)際上我們研究的只是宇宙世界的1/4。

小柴昌俊最開(kāi)始的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是研究質(zhì)子的衰變，我們的普通世界都是由質(zhì)子、中子組成的。它們其實(shí)只占很小的一部分，包括u夸克、d夸克和電子，只有這一小塊，其他的都是不穩(wěn)定的或者看不見(jiàn)的，像中微子。小柴昌俊研究質(zhì)子衰變的目的，就是去研究能不能把所有力都統(tǒng)一起來(lái)。我們現(xiàn)在看到的電磁力，它的力程是非常長(zhǎng)，無(wú)窮長(zhǎng)。弱力只能在原子核里面發(fā)生相互作用，看起來(lái)弱力跟電磁力像是完全不一樣的力。但是通過(guò)我們粒子物理學(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，這兩種力是統(tǒng)一的，它們是同一種力。

科學(xué)家自然就想到，弱力跟電磁力它們是同一種力，那么會(huì)不會(huì)三種力都是同一種力？在能量更高或者宇宙更早期的時(shí)候，三種力就是同一種力出來(lái)的。如果這幾種力早期能夠統(tǒng)一為同一種力的話，質(zhì)子就會(huì)衰變，這樣我們?nèi)绻业搅速|(zhì)子衰變，那么我們會(huì)找到更基本的理論，這是他原來(lái)的目的。但是小柴在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中都沒(méi)有找到質(zhì)子衰變，一直到現(xiàn)在我們都沒(méi)有找到質(zhì)子衰變，當(dāng)然我們現(xiàn)在還在找，但是他看到其他的一些很奇怪的現(xiàn)象，大氣中微子的反常。

為什么研究質(zhì)子衰變會(huì)跑到中微子上去呢，是因?yàn)橘|(zhì)子衰變它即使有，也是非常稀少的，所以為了看到它的信號(hào)，我們就必須把所有的假信號(hào)都除掉，中微子就是其中的一種假信號(hào)。

我們知道有種現(xiàn)象叫超新星爆發(fā)。如果一個(gè)星系里面有一顆超新星爆炸的話，它的亮光就會(huì)超過(guò)整個(gè)星系的亮度，在這個(gè)時(shí)候它會(huì)發(fā)出很多很多的中微子，雖然它的光亮超過(guò)了整個(gè)星系，但是它99%的能量是被中微子帶走的。太陽(yáng)在發(fā)熱發(fā)光的同時(shí)，也會(huì)放出很多中微子，我們把它叫做太陽(yáng)中微子。我們可以用加速器來(lái)產(chǎn)生中微子，地球里面因?yàn)樗刑烊环派湫?，鈾、釷、鉀，它們也會(huì)放出中微子，這也是地?zé)岬闹饕獊?lái)源。核電站在原子核發(fā)生裂變的時(shí)候會(huì)放出很多中微子，比如說(shuō)一個(gè)典型的百萬(wàn)千瓦的反應(yīng)堆，它每一秒鐘會(huì)放出35萬(wàn)億億個(gè)中微子。我們?nèi)说纳眢w其實(shí)也會(huì)放出中微子，因?yàn)樯眢w里面有鉀，有鉀就會(huì)有鉀-40的同位素，我們一個(gè)人的鉀-40的放射性同位素應(yīng)該是5000貝克，也就是說(shuō)每一秒鐘會(huì)放出5000個(gè)中微子，那么一個(gè)人大概一天會(huì)放出三億個(gè)中微子。

在研究質(zhì)子衰變的時(shí)候，大氣中微子會(huì)對(duì)它形成假信號(hào)，大氣中微子就是高能的宇宙線，從宇宙到達(dá)地球大氣層以后，會(huì)跟大氣里面的原子核發(fā)生碰撞，最終會(huì)產(chǎn)生很多中微子。這些中微子被探測(cè)器探測(cè)到之后，跟質(zhì)子衰變的信號(hào)很難分開(kāi)。為了研究質(zhì)子衰變，就要把大氣中微子產(chǎn)生了多少假信號(hào)研究清楚，然后把它減掉，我們看到的才是質(zhì)子衰變。

為了把這個(gè)研究清楚，小柴的學(xué)生梶田隆章發(fā)現(xiàn)大氣中微子跟我們想的不一樣，很多都丟了。至于為什么丟，當(dāng)時(shí)并不清楚，這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有解決。但是日本人非常幸運(yùn)，就在小柴退休之前幾個(gè)星期，麥哲倫星系發(fā)生一次超新星爆炸，1987A，他們探測(cè)到的來(lái)自超新星的中微子，這個(gè)結(jié)果被授予了2002年的諾貝爾獎(jiǎng)。

在那之后的開(kāi)始建造的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)是一個(gè)五萬(wàn)噸的探測(cè)器，這個(gè)探測(cè)器一直到現(xiàn)在仍然是世界上最大的探測(cè)器。在這個(gè)探測(cè)器修建好以后，它的數(shù)據(jù)質(zhì)量比神岡要好很多，我們就可以看到很清楚的信號(hào)。

這里就看到了中微子的信號(hào)，右上角的圖，左邊的圖就是說(shuō)電子中微子跟我們看到的想象的是一樣的，但是繆中微子跟我們想的不一樣，橫坐標(biāo)是天頂角，橫坐標(biāo)是1的時(shí)候，最右邊的這個(gè)點(diǎn)表示中微子是從天上來(lái)的。等于-1的時(shí)候就表示從地底下來(lái)的，穿過(guò)了整個(gè)地球，那就說(shuō)明中微子在產(chǎn)生以后，穿過(guò)地球的過(guò)程中丟了，而且丟的程度跟中微子振蕩的程度是一樣的，如綠線所示。所以這是中微子振蕩的一個(gè)非常確鑿的證據(jù)。

我們說(shuō)中微子振蕩跟波動(dòng)一樣，中微子產(chǎn)生以后它會(huì)變少，然后又會(huì)變回來(lái)，然后又會(huì)變少，這樣的話，呈現(xiàn)一個(gè)波動(dòng)，波動(dòng)的振幅我們用?來(lái)表示。這是一種量子干涉現(xiàn)象，因?yàn)槊恳环N中微子里面，它會(huì)同時(shí)存在幾個(gè)自己的本征態(tài)。最早的中微子振蕩的跡象是來(lái)自于太陽(yáng)中微子失蹤之謎。美國(guó)的戴維斯教授，他是從1960年代開(kāi)始研究探測(cè)太陽(yáng)中微子，他因?yàn)槭状翁綔y(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子，證明太陽(yáng)的能源是來(lái)自于氫核聚變這個(gè)現(xiàn)象，獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

但是他不僅僅是證明了太陽(yáng)的能源來(lái)自氫核聚變，同時(shí)他也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)太陽(yáng)中微子失蹤之謎，也就是說(shuō)他看到的太陽(yáng)中微子的個(gè)數(shù)只有我們預(yù)期的1/3，大部分的中微子都不見(jiàn)了。這個(gè)解釋有很多種，但是沒(méi)有一個(gè)令人信服的。

這個(gè)問(wèn)題很多年沒(méi)有解決。一直到1984年美國(guó)加州大學(xué)有一個(gè)華人物理學(xué)家叫陳華森，他提出了一個(gè)非常天才的想法。他認(rèn)為我們既然用水看不到太陽(yáng)中微子去了哪里，那么我們用重水，如果用重水的話，我們能同時(shí)看見(jiàn)不同的中微子，這樣就能判斷中微子是不是真的丟了，還是變成了其他種類的中微子。他提出這個(gè)實(shí)驗(yàn)由加拿大的薩德伯里完成。

但是非常不幸的是，陳華森幾年以后就因病去世了，這個(gè)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)了太陽(yáng)中微子的丟失就是因?yàn)橹形⒆拥恼袷帯?/span>

到2002年的時(shí)候，基本上科學(xué)家都相信中微子是振蕩的。2015年，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)頭的科學(xué)家梶田隆章和麥克唐納被授予了諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象，證實(shí)了中微子有質(zhì)量。中微子有質(zhì)量，是我們第一次有實(shí)驗(yàn)證據(jù)超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新的現(xiàn)象，它有可能會(huì)導(dǎo)致新的物理。

有許多現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)模型解釋不了，比如宇宙為什么會(huì)加速膨脹，1998年的時(shí)候，通過(guò)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速度不僅沒(méi)有減小，而是在加速，是一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象。那是什么力推動(dòng)它加速的，我們到現(xiàn)在為止還不知道，所以我們把它叫做暗能量，認(rèn)為有一種不知道的力叫暗能量，推動(dòng)了宇宙在加速。

我們知道標(biāo)準(zhǔn)模型里面有強(qiáng)力、有弱力、有電磁力，暗能量是一個(gè)什么力，我們填不進(jìn)去。另外一個(gè)就是銀河系為什么能夠存在。早期的時(shí)候我們相信有一種暗物質(zhì)把這些物質(zhì)都凝聚成星系，我們現(xiàn)在看到所有的星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，都比我們預(yù)期要快，如果沒(méi)有一個(gè)額外的引力存在，那么這個(gè)星系就會(huì)飛散。所以銀河系能夠存在，一定有個(gè)什么東西產(chǎn)生引力，那么我們把這個(gè)引力叫暗物質(zhì)。

還有一個(gè)證明就是中微子為什么會(huì)有質(zhì)量？在標(biāo)準(zhǔn)模型里面，中微子是沒(méi)有質(zhì)量的，它怎么產(chǎn)生的，我們也不知道，怎么去修改模型，使它跟我們理論符合，我們也不知道，所以現(xiàn)在里面有很多問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，我們對(duì)中微子的研究，是有可能會(huì)導(dǎo)致新的理論，有可能會(huì)解釋宇宙的起源和演化。

我們看到了大氣中微子的振蕩，看到了太陽(yáng)中微子的振蕩，其實(shí)還是應(yīng)該有一種振蕩，我們把它叫做。從以前的實(shí)驗(yàn)，我們知道一定很小。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(duì)稱性有關(guān)系。為什么我們宇宙能夠存在，現(xiàn)在看到的全是物質(zhì)，我們覺(jué)得有可能中微子振蕩能解釋它。如果第三種振蕩是零的話，那么這種不對(duì)稱性就不會(huì)存在，所以我們就沒(méi)辦法用中微子去解釋宇宙早期的謎底。

假如振蕩存在的話，那么我們?cè)陔x反應(yīng)堆某一個(gè)地方，我們看到箭頭指的地方，它就會(huì)有這樣一個(gè)振蕩曲線，中微子就會(huì)丟一部分，我們現(xiàn)在確信中微子一定是振蕩的，那么我們也一定需要知道振蕩有多大。那么中微子研究的下一步就是我們?nèi)ふ业谌N振蕩，這個(gè)就是大亞灣最先的起源。

實(shí)驗(yàn)非常重要，國(guó)際上有很多競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)，法國(guó)的Double Chooz 實(shí)驗(yàn)，韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。大概在2003年的時(shí)候，國(guó)內(nèi)就提出了我們要在大亞灣去做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，那時(shí)候我在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，我是98年畢業(yè)以后到了法國(guó)，然后到了美國(guó)去做中微子實(shí)驗(yàn)研究。

在這張照片里面有兩個(gè)人，一個(gè)我們現(xiàn)在的高能所所長(zhǎng)王貽芳教授，一個(gè)美國(guó)加州大學(xué)的陸錦彪教授，他們兩個(gè)是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)始人。大概在2003年9月份的時(shí)候，我在美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室辦公室里，接到王貽芳給我的電話，他是在日本的KamLand的實(shí)驗(yàn)室，從他的值班室給我打的電話。因?yàn)樗沁@個(gè)實(shí)驗(yàn)的成員之一，每年都有去值班的義務(wù)，值班的時(shí)候他碰到了陸錦彪，然后兩人一討論，覺(jué)得我們?cè)诖髞啚衬軌蜃鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)，非常好，所以他就給我打了一個(gè)電話。他問(wèn)我我們這個(gè)探測(cè)器設(shè)計(jì)是方的好，還是設(shè)計(jì)成圓柱體的好，方的搭起來(lái)容易，圓的搭起來(lái)難，但是性能是圓的好，方的不好。他問(wèn)我方的行不行，然后我就做了一個(gè)計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算，過(guò)了兩個(gè)星期，我告訴他方的不行，所以后來(lái)我們看到的探測(cè)器都是圓柱形的。然后他說(shuō)回來(lái)吧，我們有點(diǎn)事兒要干了，又過(guò)了兩個(gè)星期我就回國(guó)了，開(kāi)始參加這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這是2003年的時(shí)候。這幾張照片是我2004年拍的，就是我2004年第一次去大亞灣核電站的時(shí)候從大亞灣核電站餐廳拍的。

我們?yōu)槭裁催x擇在大亞灣去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，是因?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，我們看到的中微子數(shù)就越多，實(shí)驗(yàn)就測(cè)得越準(zhǔn)確。第二個(gè)，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)，它們都是非常稀有的事例，都會(huì)有很多假信號(hào)，我們要把它埋在山里面，然后把這些假信號(hào)都濾掉，我們才看到比較干凈的事例。我們看到大亞灣正好有這個(gè)條件，大亞灣核電站就是全世界最好的做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的地方。

這是我們最后建成后的實(shí)驗(yàn)布局，在這里有六個(gè)圓點(diǎn)，代表大亞灣核電站的六個(gè)反應(yīng)堆。我們?cè)诘叵滦蘖艘粋€(gè)隧道，總共三公里長(zhǎng)，把三個(gè)實(shí)驗(yàn)室連起來(lái)。兩個(gè)近點(diǎn)的探測(cè)器就探測(cè)兩塊核電站放射出的中微子，然后中微子從這兒出來(lái)以后，就會(huì)開(kāi)始振蕩，有可能會(huì)丟一部分。我們?cè)谶h(yuǎn)點(diǎn)放置四個(gè)探測(cè)器去探測(cè)振蕩。這是我們看到的探測(cè)器泡在一個(gè)水池里面，這樣一個(gè)探測(cè)器直徑是五米，水池大概是十幾米，14米乘10米。

這是一個(gè)直徑五米的探測(cè)器，中間是一個(gè)有機(jī)玻璃罐，里面還有一個(gè)三米大的有機(jī)玻璃罐，有機(jī)玻璃罐子里面放的是液體閃爍體，就跟我們平時(shí)玩兒的熒光棒一樣，它只要受點(diǎn)激發(fā)就會(huì)發(fā)光，只不過(guò)熒光棒是化學(xué)激發(fā)，我們這里面是中微子發(fā)生反應(yīng)以后，產(chǎn)生的帶電粒子，它會(huì)激發(fā)液閃發(fā)光。發(fā)出的光會(huì)從有機(jī)玻璃罐里面?zhèn)鞒鰜?lái)，然后被光電倍增管看到，這些光電倍增管是裝在整個(gè)探測(cè)器的邊緣上，我們就用這個(gè)探測(cè)器來(lái)探測(cè)中微子。有一個(gè)中微子進(jìn)到探測(cè)器里來(lái)，發(fā)生反應(yīng)以后，就會(huì)看到連續(xù)的兩次閃光，然后我們就知道有一個(gè)中微子過(guò)來(lái)了。

我們探測(cè)器大概是2011年底完成安裝，但是在2011年的時(shí)候，日本的一個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)他們找到第三種振蕩有可能很大。原則上說(shuō)他們有可能是最先發(fā)現(xiàn)第三種振蕩模式，但是他們比較不幸，因?yàn)槲覀兌贾?011年的三月份日本的福島發(fā)生了大地震，把他們的儀器震壞了，所以他們暫時(shí)沒(méi)有辦法繼續(xù)做下去，要把儀器修好。而我們想，做了這么久，如果落到人家后面就太可惜了。所以我們當(dāng)時(shí)就改變了計(jì)劃，本來(lái)應(yīng)該是八個(gè)探測(cè)器，我們只放了六個(gè)探測(cè)器就開(kāi)始取數(shù)。最后在他們以及韓國(guó)人之前最先發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，開(kāi)機(jī)后只用了55天的數(shù)據(jù)。在2012年的時(shí)候我們就發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩，打開(kāi)了中微子研究新的大門，對(duì)全世界科學(xué)家都是一個(gè)很好的消息。

體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一個(gè)就是它不為零，這樣的話有可能是中微子振蕩導(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。第二個(gè)是我們中微子后來(lái)還有一些研究，像中微子的質(zhì)量排序。這個(gè)值如果很小的話，以后的實(shí)驗(yàn)我們現(xiàn)有的技術(shù)是沒(méi)有辦法做的。如果這個(gè)值很大，我們現(xiàn)有的技術(shù)就可以做。所以我們發(fā)現(xiàn) 很大以后，國(guó)際上新一代的中微子實(shí)驗(yàn)都開(kāi)始部署，日本的頂級(jí)神岡試驗(yàn)，我們的江門中微子實(shí)驗(yàn)，還有美國(guó)的DUNE實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)開(kāi)始建造了。

從2012年到2020年大概有九年的數(shù)據(jù)，我們除了發(fā)現(xiàn)中微子振蕩以外，還做了三件事。第一件就是把振蕩的精度從20%提高到了3%，第二個(gè)我們測(cè)量了反應(yīng)堆中微子能譜。后面這兩個(gè)不在我們?cè)瓉?lái)計(jì)劃里面，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆中的能譜跟我們想的也不一樣，至于為什么會(huì)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(gè)臺(tái)山中微子實(shí)驗(yàn)去理解這些問(wèn)題。另外一個(gè)我們排除了美國(guó)實(shí)驗(yàn)說(shuō)的有可能會(huì)存在第四種中微子的空間。

大亞灣實(shí)驗(yàn)停止并不代表我們中微子實(shí)驗(yàn)就不做了，實(shí)際上我們正在做一個(gè)更大更好的中微子實(shí)驗(yàn)，叫江門中微子實(shí)驗(yàn)。它的主要物理目標(biāo)，一個(gè)是測(cè)量中微子的質(zhì)量順序，另外一個(gè)是測(cè)量中微子的CPE相角。這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)在地下700米修一個(gè)兩萬(wàn)噸的探測(cè)器，將采用四萬(wàn)個(gè)光電倍增管。

為了完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們要修建一個(gè)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)最大的地下洞室，要做一款世界上探測(cè)效率最高的光電倍增管，要做國(guó)際上最大的有機(jī)玻璃容器，這個(gè)有機(jī)玻璃容器的直徑是35.4米，12層樓高。在這之前國(guó)際上最大的就是2015年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的加拿大的實(shí)驗(yàn)12米，我們比它的直徑要大三倍，體積要大20倍。因?yàn)樘綔y(cè)器很大，所以我們要求中間灌的液體閃爍體的透明度也要最好，所以我們要做世界上最透明的液體閃爍體，這是對(duì)我們實(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(kāi)始，我們就在研究，然后從大亞灣到現(xiàn)在每一個(gè)方面在核心技術(shù)上，我們都有很大的突破。比如說(shuō)光電倍增管，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)我們發(fā)現(xiàn)做不出來(lái)，于是去日本買。到2008年的時(shí)候我們經(jīng)過(guò)很多次嘗試，跟不同的兩個(gè)公司和研究所合作，一直到2017年，我們生產(chǎn)出了自己的光電倍增管，而且是用新的工藝，現(xiàn)在量子效率比日本的還要好。

在做大亞灣實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們把全中國(guó)的公司都掃了一遍，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有廠家敢接有機(jī)玻璃球的制作。因?yàn)樽鲇袡C(jī)玻璃球看起來(lái)不難，但是要求非常高的精度。大亞灣實(shí)驗(yàn)的精度是要求三毫米到五毫米。而到江門實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要更大的有機(jī)玻璃球，后來(lái)在國(guó)內(nèi)調(diào)研一圈，非常高興地發(fā)現(xiàn)，才過(guò)了幾年，國(guó)內(nèi)的加工實(shí)力提高得非常快，加工基本上沒(méi)什么問(wèn)題。所以我們現(xiàn)在是在跟公司合作生產(chǎn)，而且大部分的部件都已經(jīng)生產(chǎn)完了，馬上就會(huì)開(kāi)始安裝，而且我相信應(yīng)該只有我們能做，只有中國(guó)能做。

這里看到的是現(xiàn)在江門中微子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的照片，一個(gè)山溝溝里面，很漂亮，只不過(guò)交通不太方便。我們現(xiàn)在在施工的地方，將來(lái)安裝探測(cè)器的安裝大廳，這里是我們將來(lái)純化液體閃爍體的液閃純化大廳。然后這里有一個(gè)40%坡度的軌道車，就跟我們爬風(fēng)景點(diǎn)的纜車一樣，這樣一直走到地下700米，在一個(gè)山底下，同時(shí)這個(gè)地方有一個(gè)豎井，我們可以通過(guò)電梯下到地下700米，然后到達(dá)探測(cè)器。

我們?yōu)槭裁刺暨@樣一個(gè)地方，是因?yàn)橄霚y(cè)中微子振蕩，我們要求所有的來(lái)自反應(yīng)堆的中微子振蕩，它的振蕩的距離都一樣，要不然的話，有的振蕩到最大值，有個(gè)振蕩到最小值，振蕩信號(hào)就抵消掉了。所以我們要求的所有的反應(yīng)堆的距離都相等。

江門中微子實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是陽(yáng)江核電站跟臺(tái)山核電站發(fā)出來(lái)的中微子，所以實(shí)驗(yàn)點(diǎn)離陽(yáng)江核電站和臺(tái)山核電站的距離要精確一樣。我們通過(guò)計(jì)算找到允許的地方，有一個(gè)長(zhǎng)2公里、寬200米，只能選在這里面，正好這個(gè)地方有座山，這就是我們選點(diǎn)的地方。離廣州開(kāi)車大概三個(gè)小時(shí)。

江門中微子實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)有18個(gè)國(guó)家，77個(gè)研究機(jī)構(gòu)參加，共600多名科學(xué)家參與這個(gè)實(shí)驗(yàn)。大概今年就開(kāi)始探測(cè)器的安裝，到2023年會(huì)正式開(kāi)始取數(shù)。

那么我們能做些什么？

最重要的物理目標(biāo)是測(cè)量中微子質(zhì)量順序，大概要花六年的時(shí)間。但是在這之前我們會(huì)有很多物理結(jié)果出來(lái)，比如說(shuō)我們把其中三個(gè)振蕩參數(shù)測(cè)到世界上最精確的程度，然后我們可以去研究太陽(yáng)中微子。我們通過(guò)探測(cè)來(lái)自于地球中微子事件，花六到十年可以確定地球物理的模型。可以通過(guò)六到十年時(shí)間去確定超新星的背景中微子。當(dāng)然超新星什么時(shí)候爆發(fā)我們不知道，因?yàn)閺?987年到現(xiàn)在，再也沒(méi)有一次爆發(fā)，所以完全靠運(yùn)氣，但是我們?cè)敢獾?0年。我們最開(kāi)始說(shuō)小柴昌俊他的最初的目標(biāo)是去找質(zhì)子衰變，那么我們也可以去找，用另外一種方法去找。

同時(shí)國(guó)際上有兩個(gè)正在建的跟我們同時(shí)代的三大實(shí)驗(yàn)，美國(guó)的“沙丘”實(shí)驗(yàn)，他們計(jì)劃2027年建成，日本的頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)，也是計(jì)劃在2027年建成。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)各有所長(zhǎng)，目標(biāo)有一些相同，但是各有所長(zhǎng)，互相互補(bǔ)，所以我們覺(jué)得未來(lái)的二三十年或者一二十年可以解決很多問(wèn)題，能回答很多的中微子的未解之謎。所以未來(lái)的一二十年或者二三十年，中微子一定會(huì)有更多更有意思的成果。

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來(lái)自： Triumph > 《物理》

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