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核电站内捕捉幽灵粒子

2021-07-24 19:23     来源:墨子沙龙     中微子
曹俊:中国科学院高能物理所研究员、副所长,大亚湾反应堆中微子实验共同发言人,江门中微子实验副发言人。研究方向为中微子物理与探测技术,作为主要人员曾获国家自然科学一等奖。

今天我报告的题目是“核电站内捕捉幽灵粒子”,主要是介绍大亚湾反应堆中微子实验,以及我们现在正在进行的江门中微子实验。

这里的幽灵粒子就是指中微子,因为中微子很难探测,我们人类对它的认识很少,以前我们甚至认为根本就看不到它,所以把它叫做幽灵粒子。而大亚湾实验就是一个探测中微子的实验。

在我1998年从高能物理所博士毕业后不久,我们这个领域发生了一件大事儿,日本的超级神冈实验,发现了中微子振荡。我那时候虽然不是做中微子研究的,但是印象非常深刻。1998年的时候,我相信大部分人都还没有用过网络,也不是每个人都有电脑,我们在办公室有个机房,里面有一个惠普工作站,1998年的6月5号,在日本的高山召开国际中微子大会,他们有网页,有透明片传过来,但是因为网络很慢,所以我们每一张透明片都要等很久,我们好几个学生围在那儿,等着片子从日本一张一张地传过来。


这就是其中的一张片子,展示了日本的超级神冈实验发现中微子振荡。这里最大的一个字就是6.2σ,表示达到了6.2倍标准偏差,在我们粒子物理里面,一个发现如果超出了5倍标准偏差,就可被确认为是一项科学发现。那时候还没有PPT,梶田隆章当时报告的时候拿的幻灯片,是用手写的,然后一张张放过去。

第二天,美国总统克林顿到MIT去做毕业生的演讲,他说到:“就在昨天,日本科学家宣布了一项发现,发现微小的中微子具有质量。这个可能对大部分的美国人来说并不意味着什么,但是它也许会改变我们最基本的理论,从最小的粒子的性质到我们宇宙是怎么运转的,以及它是怎么膨胀的。同时这个发现也对华盛顿几年前决定放弃超导超级对撞机的决定提出了一些疑问。更大的问题是,这些发现它的意义不仅仅局限于实验室,它们影响我们整个的社会,不仅仅是经济,也有我们对人生的看法,以及我们对人们之间相互关系的看法”。我在做科普演讲时,经常会感到很尴尬,因为大家总会提问中微子有什么用,这个问题很难回答。可惜我没有机会见到克林顿,如果我能见到他,我想很好的请教一下,中微子到底是怎么能够改变我们人际之间关系的?

日本做出这个重要发现,并不是短时间的,这个故事应该从尾田隆章的老师小柴昌俊开始讲起。小柴昌俊在1983年的时候在日本做了第一个实验,叫神冈实验,后来他的学生就是梶田隆章这一辈,做成了超级神冈实验。日本现在正在修建顶级神冈实验,计划2027年建成,探测器越修越大。


小柴昌俊的实验,有两项核心技术,一项就是他们发明的20英寸的光电倍增管;另外一项核心技术就是挖坑灌水的技术。从1980年代开始一直到现在,40多年时间,坑越挖越大,水越灌越多,当然不是简单的挖个坑灌个水就行的,而是里面有很多技术。持续这么多年的发现,持续这么多年的工作,才能使他们的技术逐步的提高,对中微子的理解,现在日本仍然是世界上水平最高的。

不过小柴昌俊最开始的目的并不是去研究中微子,这在中微子研究领域其实也比较普遍,我们关于中微子的研究,几乎没有跟我们所想一样的,每次都会有意外发生,不管是我们研究太阳中微子、大气中微子,还是反应堆中微子都会有反常,然后这些反常经常会导致新的重大的科学发现。

我们知道组成整个宇宙的粒子有六种夸克,六种轻子,这些粒子通过强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力结合在一起,这样构成了我们整个的宇宙。在六种轻子里面有三种中微子叫电子中微子,缪子中微子,还有陶子中微子。实际上我们研究的只是宇宙世界的1/4。

小柴昌俊最开始的实验目标是研究质子的衰变,我们的普通世界都是由质子、中子组成的。它们其实只占很小的一部分,包括u夸克、d夸克和电子,只有这一小块,其他的都是不稳定的或者看不见的,像中微子。小柴昌俊研究质子衰变的目的,就是去研究能不能把所有力都统一起来。我们现在看到的电磁力,它的力程是非常长,无穷长。弱力只能在原子核里面发生相互作用,看起来弱力跟电磁力像是完全不一样的力。但是通过我们粒子物理学的研究,发现这两种力其实是同一种,在宇宙诞生的最早期,这两种力是统一的,它们是同一种力。


科学家自然就想到,弱力跟电磁力它们是同一种力,那么会不会三种力都是同一种力?在能量更高或者宇宙更早期的时候,三种力就是同一种力出来的。如果这几种力早期能够统一为同一种力的话,质子就会衰变,这样我们如果找到了质子衰变,那么我们会找到更基本的理论,这是他原来的目的。但是小柴在整个实验周期中都没有找到质子衰变,一直到现在我们都没有找到质子衰变,当然我们现在还在找,但是他看到其他的一些很奇怪的现象,大气中微子的反常。

为什么研究质子衰变会跑到中微子上去呢,是因为质子衰变它即使有,也是非常稀少的,所以为了看到它的信号,我们就必须把所有的假信号都除掉,中微子就是其中的一种假信号。


我们知道有种现象叫超新星爆发。如果一个星系里面有一颗超新星爆炸的话,它的亮光就会超过整个星系的亮度,在这个时候它会发出很多很多的中微子,虽然它的光亮超过了整个星系,但是它99%的能量是被中微子带走的。太阳在发热发光的同时,也会放出很多中微子,我们把它叫做太阳中微子。我们可以用加速器来产生中微子,地球里面因为它有天然放射性,铀、钍、钾,它们也会放出中微子,这也是地热的主要来源。核电站在原子核发生裂变的时候会放出很多中微子,比如说一个典型的百万千瓦的反应堆,它每一秒钟会放出35万亿亿个中微子。我们人的身体其实也会放出中微子,因为身体里面有钾,有钾就会有钾-40的同位素,我们一个人的钾-40的放射性同位素应该是5000贝克,也就是说每一秒钟会放出5000个中微子,那么一个人大概一天会放出三亿个中微子。

在研究质子衰变的时候,大气中微子会对它形成假信号,大气中微子就是高能的宇宙线,从宇宙到达地球大气层以后,会跟大气里面的原子核发生碰撞,最终会产生很多中微子。这些中微子被探测器探测到之后,跟质子衰变的信号很难分开。为了研究质子衰变,就要把大气中微子产生了多少假信号研究清楚,然后把它减掉,我们看到的才是质子衰变。

为了把这个研究清楚,小柴的学生梶田隆章发现大气中微子跟我们想的不一样,很多都丢了。至于为什么丢,当时并不清楚,这个问题一直没有解决。但是日本人非常幸运,就在小柴退休之前几个星期,麦哲伦星系发生一次超新星爆炸,1987A,他们探测到的来自超新星的中微子,这个结果被授予了2002年的诺贝尔奖。


在那之后的开始建造的超级神冈实验是一个五万吨的探测器,这个探测器一直到现在仍然是世界上最大的探测器。在这个探测器修建好以后,它的数据质量比神冈要好很多,我们就可以看到很清楚的信号。


这里就看到了中微子的信号,右上角的图,左边的图就是说电子中微子跟我们看到的想象的是一样的,但是缪中微子跟我们想的不一样,横坐标是天顶角,横坐标是1的时候,最右边的这个点表示中微子是从天上来的。等于-1的时候就表示从地底下来的,穿过了整个地球,那就说明中微子在产生以后,穿过地球的过程中丢了,而且丢的程度跟中微子振荡的程度是一样的,如绿线所示。所以这是中微子振荡的一个非常确凿的证据。

我们说中微子振荡跟波动一样,中微子产生以后它会变少,然后又会变回来,然后又会变少,这样的话,呈现一个波动,波动的振幅我们用ϴ来表示。这是一种量子干涉现象,因为每一种中微子里面,它会同时存在几个自己的本征态。最早的中微子振荡的迹象是来自于太阳中微子失踪之谜。美国的戴维斯教授,他是从1960年代开始研究探测太阳中微子,他因为首次探测到来自太阳的中微子,证明太阳的能源是来自于氢核聚变这个现象,获得了诺贝尔奖。


但是他不仅仅是证明了太阳的能源来自氢核聚变,同时他也发现了一个太阳中微子失踪之谜,也就是说他看到的太阳中微子的个数只有我们预期的1/3,大部分的中微子都不见了。这个解释有很多种,但是没有一个令人信服的。


这个问题很多年没有解决。一直到1984年美国加州大学有一个华人物理学家叫陈华森,他提出了一个非常天才的想法。他认为我们既然用水看不到太阳中微子去了哪里,那么我们用重水,如果用重水的话,我们能同时看见不同的中微子,这样就能判断中微子是不是真的丢了,还是变成了其他种类的中微子。他提出这个实验由加拿大的萨德伯里完成。

但是非常不幸的是,陈华森几年以后就因病去世了,这个实验就改由加拿大的麦克唐纳教授领导。麦克唐纳领导的萨德伯里实验在2001年发现了太阳中微子的丢失就是因为中微子的振荡。

到2002年的时候,基本上科学家都相信中微子是振荡的。2015年,这两个实验领头的科学家梶田隆章和麦克唐纳被授予了诺贝尔奖,因为他们发现了中微子振荡现象,证实了中微子有质量。中微子有质量,是我们第一次有实验证据超出粒子物理标准模型的新的现象,它有可能会导致新的物理。


有许多现象标准模型解释不了,比如宇宙为什么会加速膨胀,1998年的时候,通过卫星实验发现宇宙膨胀的速度不仅没有减小,而是在加速,是一个很奇怪的现象。那是什么力推动它加速的,我们到现在为止还不知道,所以我们把它叫做暗能量,认为有一种不知道的力叫暗能量,推动了宇宙在加速。

我们知道标准模型里面有强力、有弱力、有电磁力,暗能量是一个什么力,我们填不进去。另外一个就是银河系为什么能够存在。早期的时候我们相信有一种暗物质把这些物质都凝聚成星系,我们现在看到所有的星系转动的速度,都比我们预期要快,如果没有一个额外的引力存在,那么这个星系就会飞散。所以银河系能够存在,一定有个什么东西产生引力,那么我们把这个引力叫暗物质。

还有一个证明就是中微子为什么会有质量?在标准模型里面,中微子是没有质量的,它怎么产生的,我们也不知道,怎么去修改模型,使它跟我们理论符合,我们也不知道,所以现在里面有很多问题。一般来说,我们对中微子的研究,是有可能会导致新的理论,有可能会解释宇宙的起源和演化。

我们看到了大气中微子的振荡,看到了太阳中微子的振荡,其实还是应该有一种振荡,我们把它叫做  。从以前的实验,我们知道  一定很小。我们相信中微子振荡可能跟宇宙早期的物质-反物质不对称性有关系。为什么我们宇宙能够存在,现在看到的全是物质,我们觉得有可能中微子振荡能解释它。如果第三种振荡是零的话,那么这种不对称性就不会存在,所以我们就没办法用中微子去解释宇宙早期的谜底。


假如振荡存在的话,那么我们在离反应堆某一个地方,我们看到箭头指的地方,它就会有这样一个振荡曲线,中微子就会丢一部分,我们现在确信中微子一定是振荡的,那么我们也一定需要知道振荡有多大。那么中微子研究的下一步就是我们去寻找第三种振荡,这个就是大亚湾最先的起源。

实验非常重要,国际上有很多竞争,中国的大亚湾实验,法国的Double Chooz 实验,韩国的RENO实验。大概在2003年的时候,国内就提出了我们要在大亚湾去做这样一个实验,那时候我在费米实验室,我是98年毕业以后到了法国,然后到了美国去做中微子实验研究。


在这张照片里面有两个人,一个我们现在的高能所所长王贻芳教授,一个美国加州大学的陆锦彪教授,他们两个是大亚湾实验的创始人。大概在2003年9月份的时候,我在美国费米实验室办公室里,接到王贻芳给我的电话,他是在日本的KamLand的实验室,从他的值班室给我打的电话。因为他是这个实验的成员之一,每年都有去值班的义务,值班的时候他碰到了陆锦彪,然后两人一讨论,觉得我们在大亚湾能够做这个实验,非常好,所以他就给我打了一个电话。他问我我们这个探测器设计是方的好,还是设计成圆柱体的好,方的搭起来容易,圆的搭起来难,但是性能是圆的好,方的不好。他问我方的行不行,然后我就做了一个计算机的模拟计算,过了两个星期,我告诉他方的不行,所以后来我们看到的探测器都是圆柱形的。然后他说回来吧,我们有点事儿要干了,又过了两个星期我就回国了,开始参加这个实验。这是2003年的时候。这几张照片是我2004年拍的,就是我2004年第一次去大亚湾核电站的时候从大亚湾核电站餐厅拍的。

我们为什么选择在大亚湾去做这个实验,是因为做这种实验首先需要反应堆的功率越大越好,功率越大,我们看到的中微子数就越多,实验就测得越准确。第二个,我们需要反应堆的旁边有山,因为不管是中微子实验还是暗物质实验,它们都是非常稀有的事例,都会有很多假信号,我们要把它埋在山里面,然后把这些假信号都滤掉,我们才看到比较干净的事例。我们看到大亚湾正好有这个条件,大亚湾核电站就是全世界最好的做这个实验的地方。


这是我们最后建成后的实验布局,在这里有六个圆点,代表大亚湾核电站的六个反应堆。我们在地下修了一个隧道,总共三公里长,把三个实验室连起来。两个近点的探测器就探测两块核电站放射出的中微子,然后中微子从这儿出来以后,就会开始振荡,有可能会丢一部分。我们在远点放置四个探测器去探测振荡。这是我们看到的探测器泡在一个水池里面,这样一个探测器直径是五米,水池大概是十几米,14米乘10米。


这是一个直径五米的探测器,中间是一个有机玻璃罐,里面还有一个三米大的有机玻璃罐,有机玻璃罐子里面放的是液体闪烁体,就跟我们平时玩儿的荧光棒一样,它只要受点激发就会发光,只不过荧光棒是化学激发,我们这里面是中微子发生反应以后,产生的带电粒子,它会激发液闪发光。发出的光会从有机玻璃罐里面传出来,然后被光电倍增管看到,这些光电倍增管是装在整个探测器的边缘上,我们就用这个探测器来探测中微子。有一个中微子进到探测器里来,发生反应以后,就会看到连续的两次闪光,然后我们就知道有一个中微子过来了。

我们探测器大概是2011年底完成安装,但是在2011年的时候,日本的一个实验说他们找到第三种振荡有可能很大。原则上说他们有可能是最先发现第三种振荡模式,但是他们比较不幸,因为我们都知道2011年的三月份日本的福岛发生了大地震,把他们的仪器震坏了,所以他们暂时没有办法继续做下去,要把仪器修好。而我们想,做了这么久,如果落到人家后面就太可惜了。所以我们当时就改变了计划,本来应该是八个探测器,我们只放了六个探测器就开始取数。最后在他们以及韩国人之前最先发现了中微子振荡,开机后只用了55天的数据。在2012年的时候我们就发现了新的中微子振荡,打开了中微子研究新的大门,对全世界科学家都是一个很好的消息。

体现在两个方面,第一个就是它不为零,这样的话有可能是中微子振荡导致了宇宙早期的反物质消失,只留下正物质构成我们的世界。第二个是我们中微子后来还有一些研究,像中微子的质量排序。  这个值如果很小的话,以后的实验我们现有的技术是没有办法做的。如果这个值很大,我们现有的技术就可以做。所以我们发现  很大以后,国际上新一代的中微子实验都开始部署,日本的顶级神冈试验,我们的江门中微子实验,还有美国的DUNE实验都已经开始建造了。


从2012年到2020年大概有九年的数据,我们除了发现中微子振荡以外,还做了三件事。第一件就是把振荡的精度从20%提高到了3%,第二个我们测量了反应堆中微子能谱。后面这两个不在我们原来计划里面,发现反应堆中的能谱跟我们想的也不一样,至于为什么会跟理论差那么多,我们现在还不是很清楚。所以我们正在做一个台山中微子实验去理解这些问题。另外一个我们排除了美国实验说的有可能会存在第四种中微子的空间。

大亚湾实验停止并不代表我们中微子实验就不做了,实际上我们正在做一个更大更好的中微子实验,叫江门中微子实验。它的主要物理目标,一个是测量中微子的质量顺序,另外一个是测量中微子的CPE相角。这个实验会在地下700米修一个两万吨的探测器,将采用四万个光电倍增管。


 
为了完成这个实验,我们要修建一个现在国内最大的地下洞室,要做一款世界上探测效率最高的光电倍增管,要做国际上最大的有机玻璃容器,这个有机玻璃容器的直径是35.4米,12层楼高。在这之前国际上最大的就是2015年获得诺贝尔奖的加拿大的实验12米,我们比它的直径要大三倍,体积要大20倍。因为探测器很大,所以我们要求中间灌的液体闪烁体的透明度也要最好,所以我们要做世界上最透明的液体闪烁体,这是对我们实验的四大挑战。

其实这些技术从大亚湾实验开始,我们就在研究,然后从大亚湾到现在每一个方面在核心技术上,我们都有很大的突破。比如说光电倍增管,当时在国内我们发现做不出来,于是去日本买。到2008年的时候我们经过很多次尝试,跟不同的两个公司和研究所合作,一直到2017年,我们生产出了自己的光电倍增管,而且是用新的工艺,现在量子效率比日本的还要好。

在做大亚湾实验时,我们把全中国的公司都扫了一遍,发现没有厂家敢接有机玻璃球的制作。因为做有机玻璃球看起来不难,但是要求非常高的精度。大亚湾实验的精度是要求三毫米到五毫米。而到江门实验的时候,需要更大的有机玻璃球,后来在国内调研一圈,非常高兴地发现,才过了几年,国内的加工实力提高得非常快,加工基本上没什么问题。所以我们现在是在跟公司合作生产,而且大部分的部件都已经生产完了,马上就会开始安装,而且我相信应该只有我们能做,只有中国能做。
 

这里看到的是现在江门中微子实验现场的照片,一个山沟沟里面,很漂亮,只不过交通不太方便。我们现在在施工的地方,将来安装探测器的安装大厅,这里是我们将来纯化液体闪烁体的液闪纯化大厅。然后这里有一个40%坡度的轨道车,就跟我们爬风景点的缆车一样,这样一直走到地下700米,在一个山底下,同时这个地方有一个竖井,我们可以通过电梯下到地下700米,然后到达探测器。

我们为什么挑这样一个地方,是因为想测中微子振荡,我们要求所有的来自反应堆的中微子振荡,它的振荡的距离都一样,要不然的话,有的振荡到最大值,有个振荡到最小值,振荡信号就抵消掉了。所以我们要求的所有的反应堆的距离都相等。

江门中微子实验观测的是阳江核电站跟台山核电站发出来的中微子,所以实验点离阳江核电站和台山核电站的距离要精确一样。我们通过计算找到允许的地方,有一个长2公里、宽200米,只能选在这里面,正好这个地方有座山,这就是我们选点的地方。离广州开车大概三个小时。


江门中微子实验,现有18个国家,77个研究机构参加,共600多名科学家参与这个实验。大概今年就开始探测器的安装,到2023年会正式开始取数。

那么我们能做些什么?

最重要的物理目标是测量中微子质量顺序,大概要花六年的时间。但是在这之前我们会有很多物理结果出来,比如说我们把其中三个振荡参数测到世界上最精确的程度,然后我们可以去研究太阳中微子。我们通过探测来自于地球中微子事件,花六到十年可以确定地球物理的模型。可以通过六到十年时间去确定超新星的背景中微子。当然超新星什么时候爆发我们不知道,因为从1987年到现在,再也没有一次爆发,所以完全靠运气,但是我们愿意等30年。我们最开始说小柴昌俊他的最初的目标是去找质子衰变,那么我们也可以去找,用另外一种方法去找。


同时国际上有两个正在建的跟我们同时代的三大实验,美国的“沙丘”实验,他们计划2027年建成,日本的顶级神冈实验,也是计划在2027年建成。这三个实验各有所长,目标有一些相同,但是各有所长,互相互补,所以我们觉得未来的二三十年或者一二十年可以解决很多问题,能回答很多的中微子的未解之谜。所以未来的一二十年或者二三十年,中微子一定会有更多更有意思的成果。

中国核能高质量发展大会

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