曹俊-中国科学院高能物理研究所研究员
“中微子振荡不仅特殊，而且具有重大的科学意义，因为它可能突破现有的理论框架，发现新的基本自然规律。”
来源：格致论坛。作者：曹骏
我今天演讲的题目是《鬼粒子变换之谜》，其实是关于中微子振荡的。
中微子是宇宙中最基本的粒子之一，也是宇宙中数量最多的物质粒子，比我们知道的质子、中子、电子多十亿倍。
但它有一个奇怪的特性，就是基本上不与物质相互作用，所以很难探测到。
每一秒钟都有万亿个中微子穿过我们的身体，就像穿过空气一样，根本不会发生反应。
中微子还有一个很特殊的性质，就是可以自我改造。
在飞行过程中会从一个中微子变成另一个中微子，还能变回。我们称之为中微子振荡。
这是20多年前发现的中微子的一个非常特殊的性质。
中微子振荡不仅特殊，而且具有重大的科学意义，因为它有可能突破现有的理论框架，发现自然界新的基本规律。
宇宙的起源和演化中有很多未解之谜，可能与此有关，所以我们需要研究中微子振荡。
中微子振荡的发现过程
由于中微子难以探测，研究过程非常曲折复杂。今天和大家分享中微子振荡发现的故事。
首先，当我们提到中微子振荡时，我们必须提到科学家——小柴昌俊。
他是日本科学家，写了一本自传叫《我不是一个好学生》，因为当时他是班上最后一名。
但是这样一个穷学生却成了中微子研究的先驱之一。他领导了日本神冈实验的建立，他的学生建造了一个5万吨级的超级神冈实验。
今年，下一代中微子实验——，顶级神冈实验也获得批准，预计2027年完成。
在开发神港实验的过程中，小柴昌俊开发了两项核心技术。
第一种是他现在拿着的50 cm光电倍增管，可以探测单光子，是一种非常灵敏的光电探测技术。
另一项技术，我们称之为挖坑和灌溉水。他们在地下1000米挖了一个坑，倒了3000吨纯净水。
到1996年，它们装满了5万吨纯净水，这仍然是世界上最大的检测器。
在下一代，他们将建造一个26万吨纯净水的探测器。
然而，小柴昌俊去中微子研究纯属偶然，因为他最初的物理目标不是中微子，而是质子衰变。
我们知道，自然界是由六个夸克和六个轻子组成的，然后有三种力把这些基本粒子结合起来形成宏观物质。例如，质子由三个夸克组成。
在宇宙诞生的最早阶段，弱相互作用力和电磁力其实是同一个力，这两个力是统一的，这是我们已经发现的科学规律。
那么大家想，有没有可能这三种力在宇宙早期是统一的，或者说在能量较高的时候是同一种力，我们称之为大统一论？
如果能把这些力统一成一个力，就会出现质子衰变的现象，这就是小柴昌俊当时寻找的质子衰变现象。
如果质子衰变，整个世界就会分崩离析，变成尘埃之类的东西。
但是不用担心，神刚实验和超级神刚实验都没有发现质子衰变，并且给了它一个下限，也就是说，即使质子衰变，它的寿命也会比10次方长到34次方。
我们知道现在宇宙的寿命是138亿年，也就是10的十分之一次方，所以质子的寿命至少比宇宙长1000亿倍，你不用担心。
虽然没有发现质子衰变，但他们偶然发现中微子有重大问题。
我们周围有很多中微子。比如BIGBANG的第一秒产生了无穷多个中微子，这些中微子一直保留到现在。
在我们周围每立方厘米的空间里，在整个宇宙中，有300个中微子。
只是它们随着宇宙的膨胀变得极其寒冷，没有办法探测到。如果我们有办法探测到这些中微子，我们总能看到宇宙诞生的第一秒。
我们也知道宇宙中的超新星爆发会产生大量的中微子。当太阳升温时，里面的轻核聚变也会释放出很多中微子。
宇宙射线撞击地球大气层，产生大气中微子。人工加速器产生中微子。
地球上有放射性的铀、钍、钾，它们的衰变会产生中微子。
核电站在发电的过程中也会产生大量的中微子。
比如大亚湾核电站的六个反应堆，每一秒钟能够产生35万亿亿个中微子。
我们人体里面也会产生中微子。每个人身体里都有钾，钾40会衰变，每天会产生四亿个中微子。
这和质子衰变有什么关系呢？因为质子衰变即使有，也是非常稀少的，为了看到质子衰变，我们必须要把所有的假信号全部去除掉。
所以要想看到质子衰变，我们必须要把这些假信号研究清楚。大气中微子就是其中一个最重要的假信号来源。
为了研究质子衰变，1988年，小柴昌俊的学生梶田隆章就对大气中微子进行了非常深入的研究。
他发现了一个很反常的现象，就是大气中微子和我们想的不一样，他看到的大气中微子的数目比我们预期的要少很多。
这和理论不一样，我们把它叫做大气中微子反常。
他看到了大气中微子反常，但是神冈实验没有办法给出更多的信息，我们并不知道它为什么会出现这种现象。
如果想把它研究清楚，我们需要一个性能更好、更大的探测器，需要花很多钱。
如果不能建这样一个探测器，也许会花费我们更长的时间，才能知道中微子振荡现象。
但是神冈实验的运气非常好，就在小柴昌俊退休的前一个月发生了一次超新星爆炸。
超新星爆炸在宇宙的演化过程中起着非常重要的作用，比如组成人体的很多比较重的元素，只有在超新星爆发中才能合成。
太阳系也是一次超新星爆炸留下来残余物。
小柴昌俊他们通过神冈实验，看到了超新星爆炸的中微子，证实了中微子在超新星爆炸中起着非常重要的作用。
这是一个非常有意思的成果。
而且他们运气很好的另一个方面，就是神冈实验最初设计出来不是为了探测中微子的，它是为了探测质子衰变的。
它探测的能量比较高，如果这样是看不见中微子的，即使超新星爆炸了也看不见。
1985年，他们想去研究太阳中微子，因为太阳中微子也出了问题，所以他把探测器做了三项重要的改进，花了两年的时间不停地改进技术。
最后就在1987年，超新星爆发之前不久，可能只有一个月时间，解决了所有技术问题，能够探测到低能中微子，这样他们就看到了超新星中微子。
我们刚才说了，因为超新星中微子非常重要，所以这个重要的成果使小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔奖。
也因为这个重要的成果，日本政府觉得中微子研究很有前途，所以批准了他们建一个非常大的探测器，来研究大气中微子反常。
这就是他们建造的超级神冈的探测器，里面有5万吨的纯净水，周围我们看到的这些小点，都是一个个直径50厘米的光电倍增管。
为了装这些光电倍增管，他们划着小船，在里面一层一层地安装。
有了这样一个更好的探测器和更多的数据量，1998年时，梶田隆章就利用超级神冈的数据发现了中微子振荡。
他发现电子中微子和我们的预期是一样的，没有减少。
但是另一种中微子，缪（μ）中微子减少了，而且减少的程度和中微子飞行的距离是有关系的。
这样就发现了中微子振荡的一个关键证据，和飞行的距离有关系。
虽然超级神冈是第一个发现中微子振荡的，但是第一个发现中微子振荡的迹象的并不是超级神冈实验。
更早的时候，有一个美国科学家戴维斯，他想用一种核化学的办法寻找中微子存在的证据。
中微子是1930年被预言，1956年被实验探测到的，那时还没有探测到，他想首先去找中微子存在的依据。
于是他跑到反应堆前去测中微子，没有测到，因为那时我们对中微子的了解还不够多，不知道正中微子跟反中微子是不一样的粒子。
他的方法只能测到正中微子，不能测到反中微子，所以他没有看到。另一个科学家用另一种办法抢先发现了中微子存在的依据。
然后他就把他的探测器搬到了一个地下1000多米的井里，去探测太阳中微子。
太阳中微子的探测也非常重要，因为我们很早就猜测，太阳的能源来源有可能是轻核聚变。
但是太阳离我们这么远，而且我们看不见太阳里面发生了什么事，所以这只是一个猜想。
但是中微子会给我们提供一个新的途径，因为中微子的穿透能力非常强，它可以从太阳的核心一直穿到地球上来。
这样我们探测到太阳中微子，就知道在太阳里面发生了什么事。
戴维斯在七十年代探测到了太阳中微子，他也因为这个成果获得了2002年的诺贝尔奖，和小柴昌俊一起。
他不光探测到太阳中微子，而且发现太阳中微子有一个特别奇怪的现象。
就是我们看到的中微子比预期的要少很多，只看到了三分之一，大部分的中微子都丢了。
这叫做太阳中微子失踪之谜。
为什么丢呢？
早期我们大家也猜想，是不是中微子存在振荡现象，这样它在飞行过程中就丢了。
但是，如果是因为中微子振荡，因为太阳很大，不同地方产生的中微子飞到地球的距离不一样，这样我们看到的应该是一个平均的效果。
中微子最多只能丢一半，因为平均下来就只会丢一半。而他看到的是三分之二都丢了，所以大家觉得不是中微子振荡。
不同的实验给出的结果也不一样，有的说丢了一半，有的说丢了三分之二等。
另外这个实验非常困难，大家说，如果是这个实验做得不准怎么办？
他不服，然后就不停地做这个实验，一直做了30年，30年的结果显示出来，确实是丢了三分之二。
他获得诺贝尔奖时，是当时年纪最大的获奖者。
1984年，有一个华人科学家，叫陈华森，是美国加州大学尔湾分校的，他提出来一个非常天才的想法。
他说如果用重水去探测太阳中微子，同时可以探测三种过程，就可以知道到底是太阳发出的中微子本来就比较少，还是在太阳飞到地球的过程中减少了。
他提出在加拿大的萨德伯里做这个实验，是因为他要用1000吨的重水，重水非常贵。
但是加拿大的反应堆是采用重水堆的技术路线，所以核电站有很多重水，于是他花了一美元，借了1000吨重水，价值3亿美元。
但是很不幸，提出这个实验三年后他就因病去世了，如果不是因为他生病，中微子振荡的诺贝尔奖应该是他的。
在他去世后，加拿大人麦克唐纳接替了他的工作，建成了萨德伯里实验，同时在2001年发现了太阳中微子振荡现象。
就是太阳发出的中微子总数其实没有减少，我们都看见了，太阳发出的电子中微子确实是变少了，也就是说电子中微子变成了其他种类的中微子。
同时理论上也有比较大的进展，就是在太阳里有很大的物质效应，这些物质效应会改变中微子振荡的行为。
不同的实验可以看到不一样的结果，这样也解释了不同实验的矛盾。到此为止，我们就相信中微子振荡确实是存在的。
因此，2015年的诺贝尔奖授给了梶田隆章和麦克唐纳，表彰他们发现了中微子振荡现象，证实了中微子有质量。
中微子有质量是第一次有坚实的实验证据，超出粒子物理的标准模型，我们有可能会通过中微子振荡的研究突破现有的理论框架，发现自然界的新规律。
第三种振荡存在吗？
我们知道一共有三种中微子，我们已经发现了大气中微子和太阳中微子振荡。
三种中微子应该存在三种振荡，所以还应该有一种振荡，我们把它叫做用θ13标志的振荡。
在八十年代和九十年代，法国和美国各做了一个实验，也就是图中一公里的地方的这两个实验，他们说没有看到振荡。
一直到2002年，日本发表的成果里都已经假定这个振荡就是零。
如果这个振荡是存在，它应该像右图中蓝色的线，那里有一个非常快的振荡。
在离反应堆两公里的地方，我们应该看到中微子的变化。
因此，2003年我们就提出做大亚湾反应堆中微子实验，这个实验是在大亚湾核电站的园区里。
这张图上有六个黑色的小圆点，这就是大亚湾和岭澳核电站的六个反应堆。
在地下有三个实验大厅，它们是建在山体里面的，通过隧道连起来。
有两个近点实验厅是靠近两个反应堆的，这些反应堆用来监控核电站到底放出来多少中微子。
有一个远点，放了四个探测器，这个远点就能探测中微子从反应堆飞出来以后有没有变化。
到2012年时，我们这个实验大厅是2011年底刚建成的，然后就发现了新的中微子振荡。
而且发现这个振荡的参数比预期的要大很多，是我们没有想象到的大，所以打开了未来中微子研究的大门。因为如果这个振荡很大，那么中微子的下一步研究现在就可以做。
如果这个振荡非常小，或者说等于零，那么我们现有的技术就没有办法进行这样的实验。
也许还要花上几十年的时间去研发新的技术，才能知道怎样提高中微子的探测效率，然后才能做这项实验。
所以大亚湾发现这个新的振荡后，全世界的中微子科学家都非常高兴，因为我们接下来就可以做下一步的实验了。
这个成果获得了2016年的国家自然科学一等奖和美国的科学突破奖。
在我们看到的这个水池里，应该有两个中微子探测器，每一个探测器的直径是5米，重110吨。
但是，我们这里只放了一个，为什么呢？
是因为我们设计了8个探测器，近点2个，远点4个，有两个近点。
但是2011年，日本有一个实验表明，这个振荡有可能比较大。
很不幸，因为2011年的福岛地震把他们的实验装置震坏了，没有办法进行实验，所以把这个半吊子的结果发表了。
我们当时就进行了很多讨论，如果我们继续按照这个节奏走，他们有可能会抢先发现中微子振荡。
我们经过反复的论证，最后决定不等所有探测器修完，只用六个探测器就开始了运行。
所以这个水池里只有一个探测器，远点的水池里实际上只放了三个探测器，一共六个探测器。
我们只用了55天的数据，就发现了新的中微子振荡。
发现后，我们又运行了半年时间，然后停机，把八个探测器全部装上去，然后一直运行下来。
给大家分享几张照片，这是我们连接各个实验厅的隧道的照片。
这张照片就是工作人员在实验厅里安装中心探测器。
每一个探测器110吨，我们把它吊装到水池里后，在上面连接电缆。从2012年在大亚湾刚装完全部探测器后，一直稳定地运行。
我们计划2020年12月12日停止运行，一共运行了9年。
中微子振荡研究并未结束
发现中微子振荡后，我们主要做了三个方面的研究，第一个方面是继续提高振荡的测量精度。
现在的振荡精度从最初的20%提高到3%。
因为这是一个自然界的基本参数，几乎所有的中微子研究都会用到这个参数，也有很多粒子物理的理论需要用到这个参数，所以这个参数的精确度是非常重要的。
我们现在是世界上最高的精度，而且未来20年，不会有实验比我们更加准确。
第二方面的成果是测量反应堆中微子的能谱，这是一个意外的成果，是我们在设计过程中没有想到的。
在研究中微子振荡的过程中，我们顺便测了反应堆发出来的中微子能谱，然后发现它和理论不一样。
首先是总数差了5%。第二，在这里可以看到，在中间有一个地方比预期的要多很多。
为什么多很多？我们现在不知道。所以准备做一个新的实验，叫台山中微子实验，去解决这个问题。
我们认为，有可能是因为核数据库不准确，通过这个实验，我们将会提高核数据库的精度。
第三个是寻找新物理，以前有两个美国实验，认为存在第四种中微子，叫做惰性中微子。我们的结果证明，他们的结果可能是错的。
在大亚湾发现第三种振荡后，我们已经知道了三种振荡，但是中微子振荡的研究并没有结束，还有两个非常重要的问题需要解决。一个是中微子的质量顺序，另一个叫中微子的CP破坏。
中微子的质量顺序，就是三种中微子哪个最重，哪个最轻。
质量顺序和宇宙的大尺度结构有关系，和中微子的质量起源也有关系，所以非常重要。
中微子CP破坏的大小和宇宙起源过程中的反物质消失之谜是有关系的。
所以这两个问题是未来一二十年迫切需要解决的问题，而且都具有非常重要的意义。
2008年，我们其实就提出了江门中微子实验的想法，2013年就开始做这件事，2015年开始修探测器，现在快修完了。
我们计划在地下700米的地方修一个很大的实验厅，里面放一个水池。
然后里面有一个有机玻璃球，灌两万吨的液体闪烁体，周围有四万个光电倍增管来探测中微子振荡。
这个实验在广东的江门开平市，为什么放在这个地方呢？
是因为我们是用反应堆中微子来做这件事，它需要离反应堆60公里左右。我们挑的这个地方离台山和阳江两个核电站都是60公里。
而且必须要离两个反应堆距离相等，否则不同的振荡就会相互抵消，把信号抵消掉，所以我们就必须要在这个地方做这个实验。
那里有一个小山包，然后我们在这个小山包下面往下挖，挖了700米，修了这个探测器，中间有一系列的技术问题需要解决。
比如我们建了国内最大的地下洞室，还将会建一个国际上最大的有机玻璃容器。
以前容器的最大直径是12米，我们要建一个35.4米的有机玻璃容器，有12层楼那么高。
我们和工厂一起做了很多研发，解决了这个关键问题。
然后我们需要世界上探测效率最高的光电倍增管。
我们2008年提出这个实验想法时，以那时候的技术是做不出来的，而且只有日本人会做这么大的光电倍增管，就是从神冈实验开始。
为了做这个实验，我们从2008年就开始做研发，最终自己发展出来量子效率最高的光电倍增管，现在比日本的量子效率还要高。
现在我们这个实验，绝大部分的光电倍增管都会采用我们国产的大口径的光电倍增管。
正是因为有了这个光电倍增管，量子效率提高了一倍，所以我们才能做这件事。
同时我们要采用世界上最透明的液体闪烁体，因为这个探测器很大，如果不够透明，里面产生的光传到边上就会没有了。
现在这个地下隧道已经基本完成了，2020年底，我们会完成全部的开挖工作，安装过程大概需要两到三年。
2023年，我们就可以投入运行。
这就是江门中微子实验安装现场的照片，是非常漂亮的一个地方。
我们看到有两条红线，一条红线是40%坡度的斜井，我们通过这个走1.3公里，就会到达我们的地下实验大厅。
这个斜井的缆车和风景点的缆车不太一样，我前天刚去了一次，往下要走20多分钟。
到地下去时，每往地下走100米，由于地球里面散发的地热，温度就会往上升两到三度。
所以到我们这个探测器那，现在地下岩石的温度是31度，而且湿度是100%，到处都在滴水。
所以往下走20分钟，上来时全身都是湿漉漉的，最想做的事就是马上洗澡。
这张图里，在远处的山坳里还有一个竖井，这个竖井会垂直到我们的探测器那里，旁边一点点的山底下，就是中微子探测器。
在江门中微子实验2023年建成后，我们需要6年的时间来测量中微子质量顺序，中微子质量顺序是江门最重要的物理目标。
在此之前，我们还可以做很多事。
比如中微子振荡共有六个振荡参数，我们可以把其中的三个测到世界最高的精度，好于1%，这是只有江门中微子实验能做的事。
然后我们可以探测太阳中微子，解决现在的一个矛盾问题，大概需要几年的时间。
我们可以探测到很多地球发出的中微子，我们一年的数据比现在所有的地球中微子数据还要多。
我们用六到十年的时间，通过探测地球发出的中微子，能够确定地球物理的演化模型。
可以探测到超新星的背景中微子，就是以前的超新星死亡以后发出来的中微子，它们会弥散在整个宇宙空间，探测到这些中微子，就能够知道宇宙的大尺度结构。
我们花六到十年的时间，应该就能探测到超新星背景中微子。
同时我们知道，1987年以来，再也没有近距离的超新星发生过。
如果它再发生一次，我们能够探测到大概5000个中微子，而以前探测到的所有中微子只有20多个。
有了这么精确的数据，我们能就超新星爆发的机制给出一个很好的限制。
当然我们也可以去寻找质子衰变。
除了江门中微子实验外，现在国际上还有两个同样规模的实验正在建设。
一个是美国的沙丘实验，他们刚刚开始建设，可能会在2027到2030年之间建成。
另一个是日本的顶级神冈实验，也计划2027年建成。他们比我们都要晚。
这是三个世界上最大的下一代中微子实验，有很多物理目标是相同的，但是又各有所长。
有的是你测的好一点，有的是我测的好一点，这样既有竞争，也有合作，互相弥补。
所以未来的十几年，中微子振荡的相关研究会给我们带来更多的惊喜，更多的科学发现。
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