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
科工力量-观察者网原创视频栏目-欢迎关注“科工力量”微博、微信公众号2020-12-16 14:11
(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。