成功運行3275天，中微子研究跨入國際先進，廣東江門接棒大亞灣_風聞

（文/科工力量 柳葉刀）

大家好，我是觀察者網《科工力量》欄目主播，冬曉。12月12日，大亞灣反應堆中微子實驗裝置完成科學使命，正式退役。該裝置至今已經運行了3200多天，產出了一系列的重要研究成果。其中，因為發現了中微子振盪的新模式，被《科學》雜誌評為十大科學突破之一，還被授予國家自然科學一等獎。

中微子是什麼？為何受到如此重視？中國在該研究領域處於什麼位置？本期節目，我們就來聊聊這個話題。

一般認為物質世界是由粒子組成的，而基本粒子包括電子、夸克、中微子，與此相關的實驗和理論研究，曾先後獲得過十幾次諾貝爾獎。在這三種基本粒子中，中微子最為神秘。它接近光速，幾乎不與其他物質相互作用，因為質量非常輕，有的甚至小於電子的百萬分之一，所以人們一度認為它質量為零。

這種粒子非常難探測，因為它的穿透力非常強。通常情況下，幾十釐米厚的鉛板能擋住核輻射，而中微子可以穿過一光年厚的鉛板。這好比向漁網扔了一粒芝麻，但網眼比足球場還要大，芝麻要想和漁網碰撞，幾率非常小。我們生活的世界裏，充滿了中微子，每秒鐘都有大量的該種粒子穿越人類的身體，但我們看不到、也感受不到它們的存在。

問題來了，如此多的中微子來自哪裏？宇宙大爆炸、超新星爆發、核電站反應堆、自然發生的放射性衰變，都會產生這種粒子。甚至在我們的身體內部，在鉀的同位素衰變過程中，平均每秒也會產生超過5000箇中微子。

研究中微子重要嗎？非常重要。舉個例子，太陽為什麼會發熱？可能有老師告訴我們，因為它的內部一直髮生核聚變。反應過程是，釋放能量，從太陽中心傳到太陽表面，再傳遍整個太陽系，之後地球上感受到光和熱。可問題是，太陽中心發生的一定是核聚變嗎？其他化學反應、物理學反應，也可能發光、發熱。

所以，科學家思考，可不可以檢測到核聚變的末態產物，來驗證猜想。問題是，聚變過程中，產生的、具有典型特徵的粒子，飛行距離很短，沒辦法在地球上檢測到。剛才説了，中微子穿透力強、通常不與其他物質相互作用，飛行距離遠，能從太陽的中心，傳播到地球表面。此時，在地球上建造一台合適的探測器，有可能探測到來自太陽的中微子。如果你感能受到光和熱，又能看到來自太陽的中微子，這就能更確切的證明，太陽中心發生核聚變，是可信的。

然而，在很長一段時間內，科學家無法確認中微子是否真的存在。物理學中有一個基本定理，“能量守恆”，指的是能量既不會憑空消失，也不會憑空產生，只能從一個物體傳遞到另一個物體，由一種形式轉變為另一種形式。

上世紀30年代，物理學界可以進行多種放射實驗，其中包括β（beta）放射線實驗，但科學家發現，該過程中的β衰變，也就是，原子核自發地射出β粒子或者俘獲一個軌道電子而發生的轉變，不滿足前面提到的能量守恆定律。為了解釋這種能量丟失現象，奧地利物理學家泡利提出：衰變過程中，一部分能量可能是被一種具有電中性、弱相互作用、質量極小的粒子帶走了。

雖然給出了這一假設，但他本人幾乎不相信存在這樣的粒子，他曾説過：我做了一件糟糕的事，我提出了一種不可能被探測到的粒子。假説提出幾十年，沒有人能證明中微子的存在。直到1956年，美國物理學家在核反應堆實驗中發現，確實存在泡利所預測的神秘粒子。

為了在該種粒子的研究上取得突破，各國不惜下血本。比如説美國，他們甚至停掉了，除大型強子對撞機以外的大型實驗，將粒子物理科研的主要精力放在了中微子上。再比如説日本，物理學家向政府提交申請，建設更大的實驗探測裝置。不過，有趣的是，日本方面也準備直線對撞機。對於哪個項目更有前景，政府官員舉棋不定，他們關心哪個能帶來下一個諾貝爾獎。

基礎科學的重要性不可否認，但心急吃不了熱豆腐。2011年，意大利實驗室鬧出烏龍事件，説他們發現了超過光速的中微子，每秒鐘比光還多跑7千多米。《自然》、《科學》等網站紛紛報道了這一新聞。該實驗室還把論文掛在了arXiv的預印本庫，這是全球最大的電子預印本系統，由美國國家科學基金會和美國能源部資助，目的是在期刊正式發表之前，宣告自己的研究成果，並接受同行的評議。可這一震驚物理學界的發現，後來被發現是個低級錯誤導致，光纜沒接好，試驗數據出了誤差。就這樣，意大利人與諾貝爾獎擦肩而過。

​很多人會問，花費這麼長時間，探測這些虛無縹緲的粒子有什麼意義？四百年前，丹麥天文學家弟谷·布拉赫，探究星空三十年，積累了大量的天文數據。後來，他的弟子開普勒在此基礎上整理總結，創立了著名的行星運動定律，也就是教科書上所説的開普勒三定律。這也是牛頓提出萬有引力定律的重要依據之一。誰能想到，整天盯着星星研究，總結的規律，幾百年後，會成為我們建造大廈、橋樑、宇宙飛船的基礎。基礎科學需要一代又一代人的努力，才能轉化為技術生產力。

中國獨立進行中微子實驗，不僅是提升了國內的粒子理論研究，還提高了實驗儀器國產化水平。比如説，目前已經捕捉到的中微子共有三種，需要按照質量從小到大給它們排序，可前面説了，它們的質量，甚至小於電子的百萬分之一。這就需要精確的測量儀器，其中必須要用到一個器件，叫做“20英寸光電倍增管”，製造難度非常大。

十年之前，這種倍增管只有日本公司能生產，而且是壟斷技術。中方本來打算向日方採購，可他們要價太高，光這一項就要花費整個試驗項目40%的經費，而且這些器件的效率可能還達不到中方的精度要求。於是，國內科研人員下決心，自己研製。從2009年開始，中科院高能物理研究所與企業合作，組成攻關團隊，花了近十年的時間，成功開發出自己的光電倍增管，性能達到國際最高水平。

目前，美、日各自啓動了大型中微子實驗，前者是深層地下中微子實驗，後者是“頂級神岡探測器”建造計劃。這些項目都有一個特點，探測器深埋地下。像美國的這項中微子實驗，安裝探測器的地方，曾經是南達科他州的霍姆斯特克金礦，施工建造在地下1500米處進行。而日本的這個實驗探測器，也是安裝在地下650米深處。為什麼這些實驗要花費這麼大的代價，在地下進行？因為厚厚的岩層可以屏蔽宇宙射線的干擾，而中微子穿透能力強，可以到達地下，這樣得到的結果更加精確可信。

科學界常提到中微子有三種振盪模式，太陽中微子振盪、大氣中微子振盪、反應堆中微子振盪，前兩者是美國人和日本人的研究成果，相關的科研人員也因此獲得諾貝爾物理學獎，而第三種是2012年中國人在大亞灣實驗中發現的。

實際上，尋找最後一種振盪模式，競爭非常激烈。但是大亞灣實驗的地理位置得天獨厚。一是，這裏高山多，可以在裏面建造實驗室，屏蔽宇宙射線。二是，這裏恰好離反應堆近，為探究“反應堆中微子振盪”提供了優越的條件。

如今，大亞灣實驗退役，但這並非終點。國內類似的基礎科研，歷來都是，預研一批、建設一批、運行一批。接下來，國內中微子研究的重心將轉移到廣東江門，這裏從2014年開始建設，預計到2022年，將建成全世界最大的液體閃爍體中微子探測器。

從規模上來講，大亞灣的一個探測器模塊（液閃）質量是 20 噸，江門是 2 萬噸，整整大了一千倍。現在正在運行的、國際上最大的液體閃爍體探測器，是日本的 KamLAND 實驗，它（的液閃）只有 1000 噸，江門探測器比它大 20 倍。

江門實驗的主要目之一是，弄清楚三種中微子的質量順序，確定誰輕誰重。但是把順序排好之後，最輕的中微子質量是多少還不知道，這是一個非常重要的基本問題，也是未來中國科研人員繼續奮鬥的事業。同時，這也是與美、日科研競爭的焦點。