探測到這些粒子，讓我們看到宇宙誕生的第一秒鐘

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，但是由於中微子的特性奇怪，導致我們很難探測到它。同時，中微子在飛行的過程中還能變身成為另一種中微子，我們稱之為中微子振盪。中微子振盪有可能幫助我們發現自然界新的基本規律，很多宇宙起源演化的未解之謎也可以通過研究中微子振盪解決。中微子振盪是怎麼被發現的？第三種振盪真的存在嗎？如何提高振盪的測量精度？

出品：格致論道講壇

以下內容為中國科學院高能物理所研究員曹俊演講實錄：

我今天演講的題目是“幽靈粒子的變身之謎”，其實講的是中微子振盪。

中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是宇宙中數量最多的物質粒子，它比我們已知的質子、中子、電子要多十億倍。

但是它有一個很奇怪的特性，就是它基本上不和物質發生相互作用，所以很難探測到它。

每秒鐘都會有萬億個中微子穿過我們的身體，就和穿過空氣一樣，它不會發生任何反應。

中微子還有一個非常特殊的性質，就是它能夠變身。

它在飛行過程中會從一種中微子變成另一種中微子，而且還能變回來，我們把這叫做中微子振盪。

這是20多年前才發現的中微子非常特殊的性質。

中微子振盪不僅特殊，而且科學意義非常重大，是因為它有可能能夠突破現有的理論框架，發現自然界新的基本規律。

宇宙在起源演化過程中有很多未解之謎可能和它有關係，所以我們需要去研究中微子振盪。

中微子振盪的發現過程

因為中微子很難探測，它研究的過程是非常曲折而複雜的事，今天我向大家分享的就是中微子振盪發現中的故事。

首先，我們提到中微子振盪，就必須要提到這個科學家——小柴昌俊。

他是日本的科學家，寫過一本自傳，叫《我不是一個好學生》，因為他當時在他們班上是倒數第一名。

但就是這樣一個差學生，成為了中微子研究的先驅之一。他領導建立了日本的神岡實驗，他的學生建造了一個5萬噸的超級神岡實驗。

在今年，更下一代的中微子實驗——頂級神岡實驗也得到了批准，預期在2027年建成。

在發展神岡實驗的過程中，小柴昌俊發展了兩項核心技術。

第一項就是他現在抱着的50釐米大的光電倍增管，可以探測到單光子，非常靈敏的一個光電探測技術。

另一項技術，我們把它叫做挖坑、灌水。他們在地下1000米的地方挖了一個坑，灌了3000噸純淨水。

到1996年時，他們灌的是5萬噸純淨水，即使到現在，仍然是世界上最大的探測器。

到下一代，他們會建造一個26萬噸純淨水的探測器。

但是小柴昌俊走向中微子的研究道路，純粹是一個偶然，因為他最初的物理目標不是中微子，而是去找質子衰變。

我們知道，自然界是由六種夸克和六種輕子組成的，然後有三種力把這些基本粒子結合在一起，組成宏觀物質，比如質子就是由三種夸克組成的。

在宇宙誕生的最早期，弱相互作用力和電磁力其實是同一種力，這兩種力是統一的，這是我們已經發現了的科學規律。

那麼大家就想，有沒有可能這三種力在宇宙更早期時就是統一的，或者説能量更高時，它們就是同一種力，我們把它叫做大統一理論。

如果這幾種力能夠統一為一種力，就會出現一種現象，即質子會衰變，這就是小柴昌俊當時去找的質子衰變現象。

如果質子衰變了，整個世界都會土崩瓦解，變成像灰塵一樣的東西。

不過大家不用擔心，神岡實驗和超級神岡實驗都沒有找到質子衰變，而且給它了一個下限，就是説質子即使會衰變，它的壽命也會長於10的34次方年。

我們知道宇宙的壽命到現在是138億年，也就是10的10次方，所以質子的壽命至少比宇宙的壽命還要長一億億億倍，所以大家不用擔心。

雖然沒有找到質子衰變，但是他們偶然地發現了中微子存在重大問題。

我們周圍充斥着很多中微子，比如在宇宙大爆炸的第一秒鐘就產生了無窮多的中微子，這些中微子一直留存到現在。

我們周圍的空間，整個宇宙空間，每一立方厘米的空間之內，就會有300個這樣的中微子。

只不過它們隨着宇宙膨脹變得特別冷，還沒有辦法探測到。如果我們有辦法探測到這些中微子，就一直能看到宇宙誕生的第一秒鐘。

我們還知道宇宙中的超新星爆發會產生特別多的中微子。太陽發熱的過程中，裏面的輕核聚變也會放出很多中微子。

宇宙線打在地球的大氣層裏，會產生大氣中微子。人工的加速器會產生中微子。

地球裏有放射性的鈾、釷、鉀，它們衰變會產生地球中微子。核電站在發電的過程中也會產生大量的中微子。

比如大亞灣核電站的六個反應堆，每一秒鐘能夠產生35萬億億個中微子。

我們人體裏面也會產生中微子。每個人身體裏都有鉀，鉀40會衰變，每天會產生四億個中微子。

這和質子衰變有什麼關係呢？因為質子衰變即使有，也是非常稀少的，為了看到質子衰變，我們必須要把所有的假信號全部去除掉。

所以要想看到質子衰變，我們必須要把這些假信號研究清楚。大氣中微子就是其中一個最重要的假信號來源。

為了研究質子衰變，1988年，小柴昌俊的學生梶田隆章就對大氣中微子進行了非常深入的研究。

他發現了一個很反常的現象，就是大氣中微子和我們想的不一樣，他看到的大氣中微子的數目比我們預期的要少很多。

這和理論不一樣，我們把它叫做大氣中微子反常。

他看到了大氣中微子反常，但是神岡實驗沒有辦法給出更多的信息，我們並不知道它為什麼會出現這種現象。

如果想把它研究清楚，我們需要一個性能更好、更大的探測器，需要花很多錢。

如果不能建這樣一個探測器，也許會花費我們更長的時間，才能知道中微子振盪現象。

但是神岡實驗的運氣非常好，就在小柴昌俊退休的前一個月發生了一次超新星爆炸。

超新星爆炸在宇宙的演化過程中起着非常重要的作用，比如組成人體的很多比較重的元素，只有在超新星爆發中才能合成。

太陽系也是一次超新星爆炸留下來殘餘物。

小柴昌俊他們通過神岡實驗，看到了超新星爆炸的中微子，證實了中微子在超新星爆炸中起着非常重要的作用。

這是一個非常有意思的成果。

而且他們運氣很好的另一個方面，就是神岡實驗最初設計出來不是為了探測中微子的，它是為了探測質子衰變的。

它探測的能量比較高，如果這樣是看不見中微子的，即使超新星爆炸了也看不見。

1985年，他們想去研究太陽中微子，因為太陽中微子也出了問題，所以他把探測器做了三項重要的改進，花了兩年的時間不停地改進技術。

最後就在1987年，超新星爆發之前不久，可能只有一個月時間，解決了所有技術問題，能夠探測到低能中微子，這樣他們就看到了超新星中微子。

我們剛才説了，因為超新星中微子非常重要，所以這個重要的成果使小柴昌俊獲得了2002年的諾貝爾獎。

也因為這個重要的成果，日本政府覺得中微子研究很有前途，所以批准了他們建一個非常大的探測器，來研究大氣中微子反常。

這就是他們建造的超級神岡的探測器，裏面有5萬噸的純淨水，周圍我們看到的這些小點，都是一個個直徑50釐米的光電倍增管。

為了裝這些光電倍增管，他們划着小船，在裏面一層一層地安裝。

有了這樣一個更好的探測器和更多的數據量，1998年時，梶田隆章就利用超級神岡的數據發現了中微子振盪。

他發現電子中微子和我們的預期是一樣的，沒有減少。

但是另一種中微子，繆（μ）中微子減少了，而且減少的程度和中微子飛行的距離是有關係的。

這樣就發現了中微子振盪的一個關鍵證據，和飛行的距離有關係。

雖然超級神岡是第一個發現中微子振盪的，但是第一個發現中微子振盪的跡象的並不是超級神岡實驗。

更早的時候，有一個美國科學家戴維斯，他想用一種核化學的辦法尋找中微子存在的證據。

中微子是1930年被預言，1956年被實驗探測到的，那時還沒有探測到，他想首先去找中微子存在的依據。

於是他跑到反應堆前去測中微子，沒有測到，因為那時我們對中微子的瞭解還不夠多，不知道正中微子跟反中微子是不一樣的粒子。

他的方法只能測到正中微子，不能測到反中微子，所以他沒有看到。另一個科學家用另一種辦法搶先發現了中微子存在的依據。

然後他就把他的探測器搬到了一個地下1000多米的井裏，去探測太陽中微子。

太陽中微子的探測也非常重要，因為我們很早就猜測，太陽的能源來源有可能是輕核聚變。

但是太陽離我們這麼遠，而且我們看不見太陽裏面發生了什麼事，所以這只是一個猜想。

但是中微子會給我們提供一個新的途徑，因為中微子的穿透能力非常強，它可以從太陽的核心一直穿到地球上來。

這樣我們探測到太陽中微子，就知道在太陽裏面發生了什麼事。

戴維斯在七十年代探測到了太陽中微子，他也因為這個成果獲得了2002年的諾貝爾獎，和小柴昌俊一起。

他不光探測到太陽中微子，而且發現太陽中微子有一個特別奇怪的現象。

就是我們看到的中微子比預期的要少很多，只看到了三分之一，大部分的中微子都丟了。

這叫做太陽中微子失蹤之謎。

為什麼丟呢？

早期我們大家也猜想，是不是中微子存在振盪現象，這樣它在飛行過程中就丟了。

但是，如果是因為中微子振盪，因為太陽很大，不同地方產生的中微子飛到地球的距離不一樣，這樣我們看到的應該是一個平均的效果。

中微子最多隻能丟一半，因為平均下來就只會丟一半。而他看到的是三分之二都丟了，所以大家覺得不是中微子振盪。

不同的實驗給出的結果也不一樣，有的説丟了一半，有的説丟了三分之二等。

另外這個實驗非常困難，大家説，如果是這個實驗做得不準怎麼辦？

他不服，然後就不停地做這個實驗，一直做了30年，30年的結果顯示出來，確實是丟了三分之二。

他獲得諾貝爾獎時，是當時年紀最大的獲獎者。

1984年，有一個華人科學家，叫陳華森，是美國加州大學爾灣分校的，他提出來一個非常天才的想法。

他説如果用重水去探測太陽中微子，同時可以探測三種過程，就可以知道到底是太陽發出的中微子本來就比較少，還是在太陽飛到地球的過程中減少了。

他提出在加拿大的薩德伯裏做這個實驗，是因為他要用1000噸的重水，重水非常貴。

但是加拿大的反應堆是採用重水堆的技術路線，所以核電站有很多重水，於是他花了一美元，借了1000噸重水，價值3億美元。

但是很不幸，提出這個實驗三年後他就因病去世了，如果不是因為他生病，中微子振盪的諾貝爾獎應該是他的。

在他去世後，加拿大人麥克唐納接替了他的工作，建成了薩德伯裏實驗，同時在2001年發現了太陽中微子振盪現象。

就是太陽發出的中微子總數其實沒有減少，我們都看見了，太陽發出的電子中微子確實是變少了，也就是説電子中微子變成了其他種類的中微子。

同時理論上也有比較大的進展，就是在太陽裏有很大的物質效應，這些物質效應會改變中微子振盪的行為。

不同的實驗可以看到不一樣的結果，這樣也解釋了不同實驗的矛盾。到此為止，我們就相信中微子振盪確實是存在的。

因此，2015年的諾貝爾獎授給了梶田隆章和麥克唐納，表彰他們發現了中微子振盪現象，證實了中微子有質量。

中微子有質量是第一次有堅實的實驗證據，超出粒子物理的標準模型，我們有可能會通過中微子振盪的研究突破現有的理論框架，發現自然界的新規律。

第三種振盪存在嗎？

我們知道一共有三種中微子，我們已經發現了大氣中微子和太陽中微子振盪。

三種中微子應該存在三種振盪，所以還應該有一種振盪，我們把它叫做用θ13標誌的振盪。

在八十年代和九十年代，法國和美國各做了一個實驗，也就是圖中一公里的地方的這兩個實驗，他們説沒有看到振盪。

一直到2002年，日本發表的成果裏都已經假定這個振盪就是零。

如果這個振盪是存在，它應該像右圖中藍色的線，那裏有一個非常快的振盪。

在離反應堆兩公里的地方，我們應該看到中微子的變化。

因此，2003年我們就提出做大亞灣反應堆中微子實驗，這個實驗是在大亞灣核電站的園區裏。

這張圖上有六個黑色的小圓點，這就是大亞灣和嶺澳核電站的六個反應堆。

在地下有三個實驗大廳，它們是建在山體裏面的，通過隧道連起來。

有兩個近點實驗廳是靠近兩個反應堆的，這些反應堆用來監控核電站到底放出來多少中微子。

有一個遠點，放了四個探測器，這個遠點就能探測中微子從反應堆飛出來以後有沒有變化。

到2012年時，我們這個實驗大廳是2011年底剛建成的，然後就發現了新的中微子振盪。

而且發現這個振盪的參數比預期的要大很多，是我們沒有想象到的大，所以打開了未來中微子研究的大門。因為如果這個振盪很大，那麼中微子的下一步研究現在就可以做。

如果這個振盪非常小，或者説等於零，那麼我們現有的技術就沒有辦法進行這樣的實驗。

也許還要花上幾十年的時間去研發新的技術，才能知道怎樣提高中微子的探測效率，然後才能做這項實驗。

所以大亞灣發現這個新的振盪後，全世界的中微子科學家都非常高興，因為我們接下來就可以做下一步的實驗了。

這個成果獲得了2016年的國家自然科學一等獎和美國的科學突破獎。

在我們看到的這個水池裏，應該有兩個中微子探測器，每一個探測器的直徑是5米，重110噸。

但是，我們這裏只放了一個，為什麼呢？

是因為我們設計了8個探測器，近點2個，遠點4個，有兩個近點。

但是2011年，日本有一個實驗表明，這個振盪有可能比較大。

很不幸，因為2011年的福島地震把他們的實驗裝置震壞了，沒有辦法進行實驗，所以把這個半吊子的結果發表了。

我們當時就進行了很多討論，如果我們繼續按照這個節奏走，他們有可能會搶先發現中微子振盪。

我們經過反覆的論證，最後決定不等所有探測器修完，只用六個探測器就開始了運行。

所以這個水池裏只有一個探測器，遠點的水池裏實際上只放了三個探測器，一共六個探測器。

我們只用了55天的數據，就發現了新的中微子振盪。

發現後，我們又運行了半年時間，然後停機，把八個探測器全部裝上去，然後一直運行下來。

給大家分享幾張照片，這是我們連接各個實驗廳的隧道的照片。

這張照片就是工作人員在實驗廳裏安裝中心探測器。

每一個探測器110噸，我們把它吊裝到水池裏後，在上面連接電纜。從2012年在大亞灣剛裝完全部探測器後，一直穩定地運行。

我們計劃2020年12月12日停止運行，一共運行了9年。

中微子振盪研究並未結束

發現中微子振盪後，我們主要做了三個方面的研究，第一個方面是繼續提高振盪的測量精度。

現在的振盪精度從最初的20%提高到3%。

因為這是一個自然界的基本參數，幾乎所有的中微子研究都會用到這個參數，也有很多粒子物理的理論需要用到這個參數，所以這個參數的精確度是非常重要的。

我們現在是世界上最高的精度，而且未來20年，不會有實驗比我們更加準確。

第二方面的成果是測量反應堆中微子的能譜，這是一個意外的成果，是我們在設計過程中沒有想到的。

在研究中微子振盪的過程中，我們順便測了反應堆發出來的中微子能譜，然後發現它和理論不一樣。

首先是總數差了5%。第二，在這裏可以看到，在中間有一個地方比預期的要多很多。

為什麼多很多？我們現在不知道。所以準備做一個新的實驗，叫台山中微子實驗，去解決這個問題。

我們認為，有可能是因為核數據庫不準確，通過這個實驗，我們將會提高核數據庫的精度。

第三個是尋找新物理，以前有兩個美國實驗，認為存在第四種中微子，叫做惰性中微子。我們的結果證明，他們的結果可能是錯的。

在大亞灣發現第三種振盪後，我們已經知道了三種振盪，但是中微子振盪的研究並沒有結束，還有兩個非常重要的問題需要解決。一個是中微子的質量順序，另一個叫中微子的CP破壞。

中微子的質量順序，就是三種中微子哪個最重，哪個最輕。

質量順序和宇宙的大尺度結構有關係，和中微子的質量起源也有關係，所以非常重要。

中微子CP破壞的大小和宇宙起源過程中的反物質消失之謎是有關係的。

所以這兩個問題是未來一二十年迫切需要解決的問題，而且都具有非常重要的意義。

2008年，我們其實就提出了江門中微子實驗的想法，2013年就開始做這件事，2015年開始修探測器，現在快修完了。

我們計劃在地下700米的地方修一個很大的實驗廳，裏面放一個水池。

然後裏面有一個有機玻璃球，灌兩萬噸的液體閃爍體，周圍有四萬個光電倍增管來探測中微子振盪。

這個實驗在廣東的江門開平市，為什麼放在這個地方呢？

是因為我們是用反應堆中微子來做這件事，它需要離反應堆60公里左右。我們挑的這個地方離台山和陽江兩個核電站都是60公里。

而且必須要離兩個反應堆距離相等，否則不同的振盪就會相互抵消，把信號抵消掉，所以我們就必須要在這個地方做這個實驗。

那裏有一個小山包，然後我們在這個小山包下面往下挖，挖了700米，修了這個探測器，中間有一系列的技術問題需要解決。

比如我們建了國內最大的地下洞室，還將會建一個國際上最大的有機玻璃容器。

以前容器的最大直徑是12米，我們要建一個35.4米的有機玻璃容器，有12層樓那麼高。

我們和工廠一起做了很多研發，解決了這個關鍵問題。

然後我們需要世界上探測效率最高的光電倍增管。

我們2008年提出這個實驗想法時，以那時候的技術是做不出來的，而且只有日本人會做這麼大的光電倍增管，就是從神岡實驗開始。

為了做這個實驗，我們從2008年就開始做研發，最終自己發展出來量子效率最高的光電倍增管，現在比日本的量子效率還要高。

現在我們這個實驗，絕大部分的光電倍增管都會採用我們國產的大口徑的光電倍增管。

正是因為有了這個光電倍增管，量子效率提高了一倍，所以我們才能做這件事。

同時我們要採用世界上最透明的液體閃爍體，因為這個探測器很大，如果不夠透明，裏面產生的光傳到邊上就會沒有了。

現在這個地下隧道已經基本完成了，2020年底，我們會完成全部的開挖工作，安裝過程大概需要兩到三年。

2023年，我們就可以投入運行。

這就是江門中微子實驗安裝現場的照片，是非常漂亮的一個地方。

我們看到有兩條紅線，一條紅線是40%坡度的斜井，我們通過這個走1.3公里，就會到達我們的地下實驗大廳。

這個斜井的纜車和風景點的纜車不太一樣，我前天剛去了一次，往下要走20多分鐘。

到地下去時，每往地下走100米，由於地球裏面散發的地熱，温度就會往上升兩到三度。

所以到我們這個探測器那，現在地下岩石的温度是31度，而且濕度是100%，到處都在滴水。

所以往下走20分鐘，上來時全身都是濕漉漉的，最想做的事就是馬上洗澡。

這張圖裏，在遠處的山坳裏還有一個豎井，這個豎井會垂直到我們的探測器那裏，旁邊一點點的山底下，就是中微子探測器。

在江門中微子實驗2023年建成後，我們需要6年的時間來測量中微子質量順序，中微子質量順序是江門最重要的物理目標。

在此之前，我們還可以做很多事。

比如中微子振盪共有六個振盪參數，我們可以把其中的三個測到世界最高的精度，好於1%，這是隻有江門中微子實驗能做的事。

然後我們可以探測太陽中微子，解決現在的一個矛盾問題，大概需要幾年的時間。

我們可以探測到很多地球發出的中微子，我們一年的數據比現在所有的地球中微子數據還要多。

我們用六到十年的時間，通過探測地球發出的中微子，能夠確定地球物理的演化模型。

可以探測到超新星的背景中微子，就是以前的超新星死亡以後發出來的中微子，它們會彌散在整個宇宙空間，探測到這些中微子，就能夠知道宇宙的大尺度結構。

我們花六到十年的時間，應該就能探測到超新星背景中微子。

同時我們知道，1987年以來，再也沒有近距離的超新星發生過。

如果它再發生一次，我們能夠探測到大概5000箇中微子，而以前探測到的所有中微子只有20多個。

有了這麼精確的數據，我們能就超新星爆發的機制給出一個很好的限制。

當然我們也可以去尋找質子衰變。

除了江門中微子實驗外，現在國際上還有兩個同樣規模的實驗正在建設。

一個是美國的沙丘實驗，他們剛剛開始建設，可能會在2027到2030年之間建成。

另一個是日本的頂級神岡實驗，也計劃2027年建成。他們比我們都要晚。

這是三個世界上最大的下一代中微子實驗，有很多物理目標是相同的，但是又各有所長。

有的是你測的好一點，有的是我測的好一點，這樣既有競爭，也有合作，互相彌補。

所以未來的十幾年，中微子振盪的相關研究會給我們帶來更多的驚喜，更多的科學發現。

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