成功运行3275天，中微子研究跨入国际先进，广东江门接棒大亚湾

（文/科工力量 柳叶刀）

大家好，我是观察者网《科工力量》栏目主播，冬晓。12月12日，大亚湾反应堆中微子实验装置完成科学使命，正式退役。该装置至今已经运行了3200多天，产出了一系列的重要研究成果。其中，因为发现了中微子振荡的新模式，被《科学》杂志评为十大科学突破之一，还被授予国家自然科学一等奖。

中微子是什么？为何受到如此重视？中国在该研究领域处于什么位置？本期节目，我们就来聊聊这个话题。

一般认为物质世界是由粒子组成的，而基本粒子包括电子、夸克、中微子，与此相关的实验和理论研究，曾先后获得过十几次诺贝尔奖。在这三种基本粒子中，中微子最为神秘。它接近光速，几乎不与其他物质相互作用，因为质量非常轻，有的甚至小于电子的百万分之一，所以人们一度认为它质量为零。

这种粒子非常难探测，因为它的穿透力非常强。通常情况下，几十厘米厚的铅板能挡住核辐射，而中微子可以穿过一光年厚的铅板。这好比向渔网扔了一粒芝麻，但网眼比足球场还要大，芝麻要想和渔网碰撞，几率非常小。我们生活的世界里，充满了中微子，每秒钟都有大量的该种粒子穿越人类的身体，但我们看不到、也感受不到它们的存在。

问题来了，如此多的中微子来自哪里？宇宙大爆炸、超新星爆发、核电站反应堆、自然发生的放射性衰变，都会产生这种粒子。甚至在我们的身体内部，在钾的同位素衰变过程中，平均每秒也会产生超过5000个中微子。

研究中微子重要吗？非常重要。举个例子，太阳为什么会发热？可能有老师告诉我们，因为它的内部一直发生核聚变。反应过程是，释放能量，从太阳中心传到太阳表面，再传遍整个太阳系，之后地球上感受到光和热。可问题是，太阳中心发生的一定是核聚变吗？其他化学反应、物理学反应，也可能发光、发热。

所以，科学家思考，可不可以检测到核聚变的末态产物，来验证猜想。问题是，聚变过程中，产生的、具有典型特征的粒子，飞行距离很短，没办法在地球上检测到。刚才说了，中微子穿透力强、通常不与其他物质相互作用，飞行距离远，能从太阳的中心，传播到地球表面。此时，在地球上建造一台合适的探测器，有可能探测到来自太阳的中微子。如果你感能受到光和热，又能看到来自太阳的中微子，这就能更确切的证明，太阳中心发生核聚变，是可信的。

然而，在很长一段时间内，科学家无法确认中微子是否真的存在。物理学中有一个基本定理，“能量守恒”，指的是能量既不会凭空消失，也不会凭空产生，只能从一个物体传递到另一个物体，由一种形式转变为另一种形式。

上世纪30年代，物理学界可以进行多种放射实验，其中包括β（beta）放射线实验，但科学家发现，该过程中的β衰变，也就是，原子核自发地射出β粒子或者俘获一个轨道电子而发生的转变，不满足前面提到的能量守恒定律。为了解释这种能量丢失现象，奥地利物理学家泡利提出：衰变过程中，一部分能量可能是被一种具有电中性、弱相互作用、质量极小的粒子带走了。

虽然给出了这一假设，但他本人几乎不相信存在这样的粒子，他曾说过：我做了一件糟糕的事，我提出了一种不可能被探测到的粒子。假说提出几十年，没有人能证明中微子的存在。直到1956年，美国物理学家在核反应堆实验中发现，确实存在泡利所预测的神秘粒子。

为了在该种粒子的研究上取得突破，各国不惜下血本。比如说美国，他们甚至停掉了，除大型强子对撞机以外的大型实验，将粒子物理科研的主要精力放在了中微子上。再比如说日本，物理学家向政府提交申请，建设更大的实验探测装置。不过，有趣的是，日本方面也准备直线对撞机。对于哪个项目更有前景，政府官员举棋不定，他们关心哪个能带来下一个诺贝尔奖。

基础科学的重要性不可否认，但心急吃不了热豆腐。2011年，意大利实验室闹出乌龙事件，说他们发现了超过光速的中微子，每秒钟比光还多跑7千多米。《自然》、《科学》等网站纷纷报道了这一新闻。该实验室还把论文挂在了arXiv的预印本库，这是全球最大的电子预印本系统，由美国国家科学基金会和美国能源部资助，目的是在期刊正式发表之前，宣告自己的研究成果，并接受同行的评议。可这一震惊物理学界的发现，后来被发现是个低级错误导致，光缆没接好，试验数据出了误差。就这样，意大利人与诺贝尔奖擦肩而过。

​很多人会问，花费这么长时间，探测这些虚无缥缈的粒子有什么意义？四百年前，丹麦天文学家弟谷·布拉赫，探究星空三十年，积累了大量的天文数据。后来，他的弟子开普勒在此基础上整理总结，创立了著名的行星运动定律，也就是教科书上所说的开普勒三定律。这也是牛顿提出万有引力定律的重要依据之一。谁能想到，整天盯着星星研究，总结的规律，几百年后，会成为我们建造大厦、桥梁、宇宙飞船的基础。基础科学需要一代又一代人的努力，才能转化为技术生产力。

中国独立进行中微子实验，不仅是提升了国内的粒子理论研究，还提高了实验仪器国产化水平。比如说，目前已经捕捉到的中微子共有三种，需要按照质量从小到大给它们排序，可前面说了，它们的质量，甚至小于电子的百万分之一。这就需要精确的测量仪器，其中必须要用到一个器件，叫做“20英寸光电倍增管”，制造难度非常大。

十年之前，这种倍增管只有日本公司能生产，而且是垄断技术。中方本来打算向日方采购，可他们要价太高，光这一项就要花费整个试验项目40%的经费，而且这些器件的效率可能还达不到中方的精度要求。于是，国内科研人员下决心，自己研制。从2009年开始，中科院高能物理研究所与企业合作，组成攻关团队，花了近十年的时间，成功开发出自己的光电倍增管，性能达到国际最高水平。

目前，美、日各自启动了大型中微子实验，前者是深层地下中微子实验，后者是“顶级神冈探测器”建造计划。这些项目都有一个特点，探测器深埋地下。像美国的这项中微子实验，安装探测器的地方，曾经是南达科他州的霍姆斯特克金矿，施工建造在地下1500米处进行。而日本的这个实验探测器，也是安装在地下650米深处。为什么这些实验要花费这么大的代价，在地下进行？因为厚厚的岩层可以屏蔽宇宙射线的干扰，而中微子穿透能力强，可以到达地下，这样得到的结果更加精确可信。

科学界常提到中微子有三种振荡模式，太阳中微子振荡、大气中微子振荡、反应堆中微子振荡，前两者是美国人和日本人的研究成果，相关的科研人员也因此获得诺贝尔物理学奖，而第三种是2012年中国人在大亚湾实验中发现的。

实际上，寻找最后一种振荡模式，竞争非常激烈。但是大亚湾实验的地理位置得天独厚。一是，这里高山多，可以在里面建造实验室，屏蔽宇宙射线。二是，这里恰好离反应堆近，为探究“反应堆中微子振荡”提供了优越的条件。

如今，大亚湾实验退役，但这并非终点。国内类似的基础科研，历来都是，预研一批、建设一批、运行一批。接下来，国内中微子研究的重心将转移到广东江门，这里从2014年开始建设，预计到2022年，将建成全世界最大的液体闪烁体中微子探测器。

从规模上来讲，大亚湾的一个探测器模块（液闪）质量是 20 吨，江门是 2 万吨，整整大了一千倍。现在正在运行的、国际上最大的液体闪烁体探测器，是日本的 KamLAND 实验，它（的液闪）只有 1000 吨，江门探测器比它大 20 倍。

江门实验的主要目之一是，弄清楚三种中微子的质量顺序，确定谁轻谁重。但是把顺序排好之后，最轻的中微子质量是多少还不知道，这是一个非常重要的基本问题，也是未来中国科研人员继续奋斗的事业。同时，这也是与美、日科研竞争的焦点。