今天我報(bào)告的題目是“核電站內(nèi)捕捉幽靈粒子”,主要是介紹大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn),以及我們現(xiàn)在正在進(jìn)行的江門中微子實(shí)驗(yàn)。
這里的幽靈粒子就是指中微子,因?yàn)橹形⒆雍茈y探測(cè),我們?nèi)祟悓?duì)它的認(rèn)識(shí)很少,以前我們甚至認(rèn)為根本就看不到它,所以把它叫做幽靈粒子。而大亞灣實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)探測(cè)中微子的實(shí)驗(yàn)。
在我1998年從中科院高能物理所博士畢業(yè)后不久,我們這個(gè)領(lǐng)域發(fā)生了一件大事兒,日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩。我那時(shí)候雖然不是做中微子研究的,但是印象非常深刻。1998年的時(shí)候,我相信大部分人都還沒(méi)有用過(guò)網(wǎng)絡(luò),也不是每個(gè)人都有電腦,我們辦公室有個(gè)機(jī)房,里面有一個(gè)惠普工作站,1998年的6月5號(hào),在日本的高山召開國(guó)際中微子大會(huì),他們有網(wǎng)頁(yè),有透明片傳過(guò)來(lái),但是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)很慢,所以我們每一張透明片都要等很久,我們好幾個(gè)學(xué)生圍在那兒,等著片子從日本一張一張地傳過(guò)來(lái)。
這就是其中的一張片子,展示了日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩。這里最大的一個(gè)字就是6.2σ,表示達(dá)到了6.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差,在我們粒子物理里面,一個(gè)發(fā)現(xiàn)如果超出了5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差,就可被確認(rèn)為是一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。那時(shí)候還沒(méi)有PPT,梶田隆章當(dāng)時(shí)報(bào)告的時(shí)候拿的幻燈片,是用手寫的,然后一張張放過(guò)去。
第二天,時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)克林頓到MIT去做畢業(yè)生的演講,他說(shuō)道:“就在昨天,日本科學(xué)家宣布了一項(xiàng)發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)微小的中微子具有質(zhì)量。這個(gè)可能對(duì)大部分的美國(guó)人來(lái)說(shuō)并不意味著什么,但是它也許會(huì)改變我們最基本的理論,從最小的粒子的性質(zhì)到我們宇宙是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的,以及它是怎么膨脹的。同時(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)也對(duì)華盛頓幾年前決定放棄超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)的決定提出了一些疑問(wèn)。更大的問(wèn)題是,這些發(fā)現(xiàn)它的意義不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室,它們影響我們整個(gè)的社會(huì),不僅僅是經(jīng)濟(jì),也有我們對(duì)人生的看法,以及我們對(duì)人們之間相互關(guān)系的看法”。我在做科普演講時(shí),經(jīng)常會(huì)感到很尷尬,因?yàn)榇蠹铱倳?huì)提問(wèn)中微子有什么用,這個(gè)問(wèn)題很難回答。可惜我沒(méi)有機(jī)會(huì)見到克林頓,如果我能見到他,我想很好的請(qǐng)教一下,中微子到底是怎么能夠改變我們?nèi)穗H之間關(guān)系的?
日本做出這個(gè)重要發(fā)現(xiàn),并不是短時(shí)間的,這個(gè)故事應(yīng)該從尾田隆章的老師小柴昌俊開始講起。小柴昌俊在1983年的時(shí)候在日本做了第一個(gè)實(shí)驗(yàn),叫神岡實(shí)驗(yàn),后來(lái)他的學(xué)生就是梶田隆章這一輩,做成了超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)。日本現(xiàn)在正在修建頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn),計(jì)劃2027年建成,探測(cè)器越修越大。
小柴昌俊的實(shí)驗(yàn),有兩項(xiàng)核心技術(shù),一項(xiàng)就是他們發(fā)明的20英寸的光電倍增管;另外一項(xiàng)核心技術(shù)就是挖坑灌水的技術(shù)。從1980年代開始一直到現(xiàn)在,40多年時(shí)間,坑越挖越大,水越灌越多,當(dāng)然不是簡(jiǎn)單的挖個(gè)坑灌個(gè)水就行的,而是里面有很多技術(shù)。持續(xù)這么多年的發(fā)現(xiàn),持續(xù)這么多年的工作,才能使他們的技術(shù)逐步的提高,對(duì)中微子的理解,現(xiàn)在日本仍然是世界上水平最高的。
不過(guò)小柴昌俊最開始的目的并不是去研究中微子,這在中微子研究領(lǐng)域其實(shí)也比較普遍,我們關(guān)于中微子的研究,幾乎沒(méi)有跟我們所想一樣的,每次都會(huì)有意外發(fā)生,不管是我們研究太陽(yáng)中微子、大氣中微子,還是反應(yīng)堆中微子,都會(huì)有反常,然后這些反常經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致新的重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。我們知道組成整個(gè)宇宙的粒子有六種夸克,六種輕子,這些粒子通過(guò)強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力結(jié)合在一起,這樣構(gòu)成了我們整個(gè)的宇宙。在六種輕子里面有三種中微子叫電子中微子,繆子中微子,還有陶子中微子。實(shí)際上我們研究的只是宇宙世界的1/4。
小柴昌俊最開始的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是研究質(zhì)子的衰變,我們的普通世界都是由質(zhì)子、中子組成的。它們其實(shí)只占很小的一部分,包括u夸克、d夸克和電子,只有這一小塊,其他的都是不穩(wěn)定的或者看不見的,像中微子。小柴昌俊研究質(zhì)子衰變的目的,就是去研究能不能把所有力都統(tǒng)一起來(lái)。我們現(xiàn)在看到的電磁力,它的力程是非常長(zhǎng),無(wú)窮長(zhǎng)。弱力只能在原子核里面發(fā)生相互作用,看起來(lái)弱力跟電磁力像是完全不一樣的力。但是通過(guò)我們粒子物理學(xué)的研究,發(fā)現(xiàn)這兩種力其實(shí)是同一種,在宇宙誕生的最早期,這兩種力是統(tǒng)一的,它們是同一種力。
科學(xué)家自然就想到,弱力跟電磁力它們是同一種力,那么會(huì)不會(huì)三種力都是同一種力?在能量更高或者宇宙更早期的時(shí)候,三種力就是同一種力出來(lái)的。如果這幾種力早期能夠統(tǒng)一為同一種力的話,質(zhì)子就會(huì)衰變,這樣我們?nèi)绻业搅速|(zhì)子衰變,那么我們會(huì)找到更基本的理論,這是他原來(lái)的目的。但是小柴在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期中都沒(méi)有找到質(zhì)子衰變,一直到現(xiàn)在我們都沒(méi)有找到質(zhì)子衰變,當(dāng)然我們現(xiàn)在還在找,但是他看到其他的一些很奇怪的現(xiàn)象,大氣中微子的反常。
為什么研究質(zhì)子衰變會(huì)跑到中微子上去呢,是因?yàn)橘|(zhì)子衰變即使有,也是非常稀少的,所以為了看到它的信號(hào),我們就必須把所有的假信號(hào)都除掉,中微子就是其中的一種假信號(hào)。
我們知道有種現(xiàn)象叫超新星爆發(fā)。如果一個(gè)星系里面有一顆超新星爆炸的話,它的亮光就會(huì)超過(guò)整個(gè)星系的亮度,在這個(gè)時(shí)候它會(huì)發(fā)出很多很多的中微子,雖然它的光亮超過(guò)了整個(gè)星系,但是它99%的能量是被中微子帶走的。太陽(yáng)在發(fā)熱發(fā)光的同時(shí),也會(huì)放出很多中微子,我們把它叫做太陽(yáng)中微子。我們可以用加速器來(lái)產(chǎn)生中微子,地球里面因?yàn)樗刑烊环派湫,鈾、釷、鉀,它們也會(huì)放出中微子,這也是地?zé)岬闹饕獊?lái)源。
核電站在原子核發(fā)生裂變的時(shí)候會(huì)放出很多中微子,比如說(shuō)一個(gè)典型的百萬(wàn)千瓦的反應(yīng)堆,它每一秒鐘會(huì)放出35萬(wàn)億億個(gè)中微子。我們?nèi)说纳眢w其實(shí)也會(huì)放出中微子,因?yàn)樯眢w里面有鉀,有鉀就會(huì)有鉀-40的同位素,我們一個(gè)人的鉀-40的放射性同位素應(yīng)該是5000貝克,也就是說(shuō)每一秒鐘會(huì)放出5000個(gè)中微子,那么一個(gè)人大概一天會(huì)放出三億個(gè)中微子。在研究質(zhì)子衰變的時(shí)候,大氣中微子會(huì)對(duì)它形成假信號(hào),大氣中微子就是高能的宇宙線,從宇宙到達(dá)地球大氣層以后,會(huì)跟大氣里面的原子核發(fā)生碰撞,最終會(huì)產(chǎn)生很多中微子。這些中微子被探測(cè)器探測(cè)到之后,跟質(zhì)子衰變的信號(hào)很難分開。為了研究質(zhì)子衰變,就要把大氣中微子產(chǎn)生了多少假信號(hào)研究清楚,然后把它減掉,我們看到的才是質(zhì)子衰變。
為了把這個(gè)研究清楚,小柴的學(xué)生梶田隆章發(fā)現(xiàn)大氣中微子跟我們想的不一樣,很多都丟了。至于為什么丟,當(dāng)時(shí)并不清楚,這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有解決。但是日本人非常幸運(yùn),就在小柴退休之前幾個(gè)星期,麥哲倫星系發(fā)生一次超新星爆炸,1987A,他們探測(cè)到的來(lái)自超新星的中微子,這個(gè)結(jié)果被授予了2002年的諾貝爾獎(jiǎng)。
在那之后的開始建造的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)是一個(gè)五萬(wàn)噸的探測(cè)器,這個(gè)探測(cè)器一直到現(xiàn)在仍然是世界上最大的探測(cè)器。在這個(gè)探測(cè)器修建好以后,它的數(shù)據(jù)質(zhì)量比神岡要好很多,我們就可以看到很清楚的信號(hào)。
這里就看到了中微子的信號(hào),右上角的圖,左邊的圖就是說(shuō)電子中微子跟我們看到的、想象的是一樣的,但是繆中微子跟我們想的不一樣,橫坐標(biāo)是天頂角,橫坐標(biāo)是1的時(shí)候,最右邊的這個(gè)點(diǎn)表示中微子是從天上來(lái)的。等于-1的時(shí)候就表示從地底下來(lái)的,穿過(guò)了整個(gè)地球,那就說(shuō)明中微子在產(chǎn)生以后,穿過(guò)地球的過(guò)程中丟了,而且丟的程度跟中微子振蕩的程度是一樣的,如綠線所示。所以這是中微子振蕩的一個(gè)非常確鑿的證據(jù)。
我們說(shuō)中微子振蕩跟波動(dòng)一樣,中微子產(chǎn)生以后它會(huì)變少,然后又會(huì)變回來(lái),然后又會(huì)變少,這樣的話,呈現(xiàn)一個(gè)波動(dòng),波動(dòng)的振幅我們用ϴ來(lái)表示。這是一種量子干涉現(xiàn)象,因?yàn)槊恳环N中微子里面,它會(huì)同時(shí)存在幾個(gè)自己的本征態(tài)。最早的中微子振蕩的跡象是來(lái)自于太陽(yáng)中微子失蹤之謎。美國(guó)的戴維斯教授,他是從1960年代開始研究探測(cè)太陽(yáng)中微子,他因?yàn)槭状翁綔y(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子,證明太陽(yáng)的能源是來(lái)自于氫核聚變這個(gè)現(xiàn)象,獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
但是他不僅僅是證明了太陽(yáng)的能源來(lái)自氫核聚變,同時(shí)他也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)太陽(yáng)中微子失蹤之謎,也就是說(shuō),他看到的太陽(yáng)中微子的個(gè)數(shù)只有我們預(yù)期的1/3,大部分的中微子都不見了。這個(gè)解釋有很多種,但是沒(méi)有一個(gè)令人信服的。
這個(gè)問(wèn)題很多年沒(méi)有解決。一直到1984年美國(guó)加州大學(xué)有一個(gè)華人物理學(xué)家叫陳華森,他提出了一個(gè)非常天才的想法。他認(rèn)為我們既然用水看不到太陽(yáng)中微子去了哪里,那么我們用重水,如果用重水的話,我們能同時(shí)看見不同的中微子,這樣就能判斷中微子是不是真的丟了,還是變成了其他種類的中微子。他提出這個(gè)實(shí)驗(yàn)由加拿大的薩德伯里完成。
但是非常不幸的是,陳華森幾年以后就因病去世了,這個(gè)實(shí)驗(yàn)就改由加拿大的麥克唐納教授領(lǐng)導(dǎo)。麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的薩德伯里實(shí)驗(yàn)在2001年發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)中微子的丟失就是因?yàn)橹形⒆拥恼袷帯?/span>到2002年的時(shí)候,基本上科學(xué)家都相信中微子是振蕩的。2015年,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)頭的科學(xué)家梶田隆章和麥克唐納被授予了諾貝爾獎(jiǎng),因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了中微子振蕩現(xiàn)象,證實(shí)了中微子有質(zhì)量。中微子有質(zhì)量,是我們第一次有實(shí)驗(yàn)證據(jù)超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新的現(xiàn)象,它有可能會(huì)導(dǎo)致新的物理。
有許多現(xiàn)象標(biāo)準(zhǔn)模型解釋不了,比如宇宙為什么會(huì)加速膨脹,1998年的時(shí)候,通過(guò)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹的速度不僅沒(méi)有減小,而是在加速,是一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象。那是什么力推動(dòng)它加速的,我們到現(xiàn)在為止還不知道,所以我們把它叫做暗能量,認(rèn)為有一種不知道的力叫暗能量,推動(dòng)了宇宙在加速。
我們知道標(biāo)準(zhǔn)模型里面有強(qiáng)力、有弱力、有電磁力,暗能量是一個(gè)什么力,我們填不進(jìn)去。另外一個(gè)就是銀河系為什么能夠存在。早期的時(shí)候我們相信有一種暗物質(zhì)把這些物質(zhì)都凝聚成星系,我們現(xiàn)在看到所有的星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度,都比我們預(yù)期要快,如果沒(méi)有一個(gè)額外的引力存在,那么這個(gè)星系就會(huì)飛散。所以銀河系能夠存在,一定有個(gè)什么東西產(chǎn)生引力,那么我們把這個(gè)引力叫暗物質(zhì)。還有一個(gè)證明就是中微子為什么會(huì)有質(zhì)量?在標(biāo)準(zhǔn)模型里面,中微子是沒(méi)有質(zhì)量的,它怎么產(chǎn)生的,我們也不知道,怎么去修改模型,使它跟我們理論符合,我們也不知道,所以現(xiàn)在里面有很多問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),我們對(duì)中微子的研究,是有可能會(huì)導(dǎo)致新的理論,有可能會(huì)解釋宇宙的起源和演化。
我們看到了大氣中微子的振蕩,看到了太陽(yáng)中微子的振蕩,其實(shí)還是應(yīng)該有一種振蕩,我們把它叫做 。從以前的實(shí)驗(yàn),我們知道 一定很小。我們相信中微子振蕩可能跟宇宙早期的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性有關(guān)系。為什么我們宇宙能夠存在,現(xiàn)在看到的全是物質(zhì),我們覺(jué)得有可能中微子振蕩能解釋它。如果第三種振蕩是零的話,那么這種不對(duì)稱性就不會(huì)存在,所以我們就沒(méi)辦法用中微子去解釋宇宙早期的謎底。
假如振蕩存在的話,那么我們?cè)陔x反應(yīng)堆某一個(gè)地方,我們看到箭頭指的地方,它就會(huì)有這樣一個(gè)振蕩曲線,中微子就會(huì)丟一部分,我們現(xiàn)在確信中微子一定是振蕩的,那么我們也一定需要知道振蕩有多大。那么中微子研究的下一步就是我們?nèi)ふ业谌N振蕩,這個(gè)就是大亞灣實(shí)驗(yàn)最先的起源。
實(shí)驗(yàn)非常重要,國(guó)際上有很多競(jìng)爭(zhēng),中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn),法國(guó)的Double Chooz 實(shí)驗(yàn),韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。大概在2003年的時(shí)候,國(guó)內(nèi)就提出了我們要在大亞灣去做這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn),那時(shí)候我在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室,我是1998年畢業(yè)以后到了法國(guó),然后到了美國(guó)去做中微子實(shí)驗(yàn)研究。
在這張照片里面有兩個(gè)人,一個(gè)我們現(xiàn)在的高能所所長(zhǎng)王貽芳教授,一個(gè)美國(guó)加州大學(xué)的陸錦彪教授,他們兩個(gè)是大亞灣實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)始人。大概在2003年9月份的時(shí)候,我在美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室辦公室里,接到王貽芳給我的電話,他是在日本的KamLand的實(shí)驗(yàn)室,從他的值班室給我打的電話。因?yàn)樗沁@個(gè)實(shí)驗(yàn)的成員之一,每年都有去值班的義務(wù),值班的時(shí)候他碰到了陸錦彪,然后兩人一討論,覺(jué)得我們?cè)诖髞啚衬軌蜃鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn),非常好,所以他就給我打了一個(gè)電話。
他問(wèn)我,我們這個(gè)探測(cè)器設(shè)計(jì)是方的好,還是設(shè)計(jì)成圓柱體的好。方的搭起來(lái)容易,圓的搭起來(lái)難,但是性能是圓的好,方的不好。他問(wèn)我方的行不行。然后我就做了一個(gè)計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算,過(guò)了兩個(gè)星期,我告訴他方的不行,所以后來(lái)我們看到的探測(cè)器都是圓柱形的。然后他跟我說(shuō)回來(lái)吧,我們有點(diǎn)事兒要干了,又過(guò)了兩個(gè)星期我就回國(guó)了,開始參加這個(gè)實(shí)驗(yàn)。這是2003年的時(shí)候。這幾張照片是我2004年拍的,就是我第一次去大亞灣核電站的時(shí)候從大亞灣核電站餐廳拍的。
我們?yōu)槭裁催x擇在大亞灣去做這個(gè)實(shí)驗(yàn),是因?yàn)樽鲞@種實(shí)驗(yàn)首先需要反應(yīng)堆的功率越大越好,功率越大,我們看到的中微子數(shù)就越多,實(shí)驗(yàn)就測(cè)得越準(zhǔn)確。第二個(gè),我們需要反應(yīng)堆的旁邊有山,因?yàn)椴还苁侵形⒆訉?shí)驗(yàn)還是暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn),它們都是非常稀有的事例,都會(huì)有很多假信號(hào),我們要把它埋在山里面,然后把這些假信號(hào)都濾掉,我們才看到比較干凈的事例。我們看到大亞灣正好有這個(gè)條件,大亞灣核電站就是全世界最好的做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的地方。
這是我們最后建成后的實(shí)驗(yàn)布局,在這里有六個(gè)圓點(diǎn),代表大亞灣核電站的六個(gè)反應(yīng)堆。我們?cè)诘叵滦蘖艘粋(gè)隧道,總共三公里長(zhǎng),把三個(gè)實(shí)驗(yàn)室連起來(lái)。兩個(gè)近點(diǎn)的探測(cè)器就探測(cè)兩塊核電站放射出的中微子,然后中微子從這兒出來(lái)以后,就會(huì)開始振蕩,有可能會(huì)丟一部分。我們?cè)谶h(yuǎn)點(diǎn)放置四個(gè)探測(cè)器去探測(cè)振蕩。這是我們看到的探測(cè)器泡在一個(gè)水池里面,這樣一個(gè)探測(cè)器直徑是五米,水池大概是十幾米,14米乘10米。
這是一個(gè)直徑五米的探測(cè)器,中間是一個(gè)有機(jī)玻璃罐,里面還有一個(gè)三米大的有機(jī)玻璃罐,里面放的是液體閃爍體,就跟我們平時(shí)玩兒的熒光棒一樣,它只要受點(diǎn)激發(fā)就會(huì)發(fā)光,只不過(guò)熒光棒是化學(xué)激發(fā),我們這里面是中微子發(fā)生反應(yīng)以后,產(chǎn)生的帶電粒子,它會(huì)激發(fā)液閃發(fā)光。發(fā)出的光會(huì)從有機(jī)玻璃罐里面?zhèn)鞒鰜?lái),然后被光電倍增管看到,這些光電倍增管是裝在整個(gè)探測(cè)器的邊緣上,我們就用這個(gè)探測(cè)器來(lái)探測(cè)中微子。有一個(gè)中微子進(jìn)到探測(cè)器里來(lái),發(fā)生反應(yīng)以后,就會(huì)看到連續(xù)的兩次閃光,然后我們就知道有一個(gè)中微子過(guò)來(lái)了。我們探測(cè)器大概是2011年底完成安裝,但是在2011年的時(shí)候,日本的一個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)他們找到第三種振蕩有可能很大。原則上說(shuō)他們有可能是最先發(fā)現(xiàn)第三種振蕩模式,但是他們比較不幸,因?yàn)槲覀兌贾?011年的三月份日本的福島發(fā)生了大地震,把他們的儀器震壞了,所以他們暫時(shí)沒(méi)有辦法繼續(xù)做下去,要把儀器修好。而我們想,做了這么久,如果落到人家后面就太可惜了。所以我們當(dāng)時(shí)就改變了計(jì)劃,本來(lái)應(yīng)該是八個(gè)探測(cè)器,我們只放了六個(gè)探測(cè)器就開始取數(shù)。最后在日本人以及韓國(guó)人之前最先發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩,開機(jī)后只用了55天的數(shù)據(jù)。在2012年的時(shí)候我們就發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩,打開了中微子研究新的大門,對(duì)全世界科學(xué)家都是一個(gè)很好的消息。
體現(xiàn)在兩個(gè)方面,第一個(gè)就是它不為零,這樣的話有可能是中微子振蕩導(dǎo)致了宇宙早期的反物質(zhì)消失,只留下正物質(zhì)構(gòu)成我們的世界。第二個(gè)是我們中微子后來(lái)還有一些研究,像中微子的質(zhì)量排序。 這個(gè)值如果很小的話,以后的實(shí)驗(yàn)我們現(xiàn)有的技術(shù)是沒(méi)有辦法做的。如果這個(gè)值很大,我們現(xiàn)有的技術(shù)就可以做。所以我們發(fā)現(xiàn) 很大以后,國(guó)際上新一代的中微子實(shí)驗(yàn)都開始部署,日本的頂級(jí)神岡試驗(yàn),我們的江門中微子實(shí)驗(yàn),還有美國(guó)的DUNE實(shí)驗(yàn)都已經(jīng)開始建造了。
從2012年到2020年大概有九年的數(shù)據(jù),我們除了發(fā)現(xiàn)中微子振蕩以外,還做了三件事。第一件就是把振蕩的精度從20%提高到了3%,第二個(gè)我們測(cè)量了反應(yīng)堆中微子能譜。后面這兩個(gè)不在我們?cè)瓉?lái)計(jì)劃里面,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)堆中的能譜跟我們想的也不一樣,至于為什么會(huì)跟理論差那么多,我們現(xiàn)在還不是很清楚。所以我們正在做一個(gè)臺(tái)山中微子實(shí)驗(yàn)去理解這些問(wèn)題。另外一個(gè)我們排除了美國(guó)實(shí)驗(yàn)說(shuō)的有可能會(huì)存在第四種中微子的空間。
大亞灣實(shí)驗(yàn)停止并不代表我們中微子實(shí)驗(yàn)就不做了,實(shí)際上我們正在做一個(gè)更大更好的中微子實(shí)驗(yàn),叫江門中微子實(shí)驗(yàn)。它的主要物理目標(biāo),一個(gè)是測(cè)量中微子的質(zhì)量順序,另外一個(gè)是測(cè)量中微子的CPE相角。這個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)在地下700米修一個(gè)兩萬(wàn)噸的探測(cè)器,將采用四萬(wàn)個(gè)光電倍增管。
為了完成這個(gè)實(shí)驗(yàn),我們要修建一個(gè)現(xiàn)在國(guó)內(nèi)最大的地下洞室,要做一款世界上探測(cè)效率最高的光電倍增管,要做國(guó)際上最大的有機(jī)玻璃容器,這個(gè)有機(jī)玻璃容器的直徑是35.4米,12層樓高。在這之前國(guó)際上最大的、就是2015年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的加拿大的實(shí)驗(yàn)有12米,我們比它的直徑要大三倍,體積要大20倍。因?yàn)樘綔y(cè)器很大,所以我們要求中間灌的液體閃爍體的透明度也要最好,所以我們要做世界上最透明的液體閃爍體,這是對(duì)我們實(shí)驗(yàn)的四大挑戰(zhàn)。
其實(shí)這些技術(shù)從大亞灣實(shí)驗(yàn)開始,我們就在研究,然后從大亞灣到現(xiàn)在每一個(gè)方面在核心技術(shù)上,我們都有很大的突破。比如說(shuō)光電倍增管,當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)我們發(fā)現(xiàn)做不出來(lái),于是去日本買。到2008年的時(shí)候我們經(jīng)過(guò)很多次嘗試,跟不同的兩個(gè)公司和研究所合作,一直到2017年,我們生產(chǎn)出了自己的光電倍增管,而且是用新的工藝,現(xiàn)在量子效率比日本的還要好。在做大亞灣實(shí)驗(yàn)時(shí),我們把全中國(guó)的公司都掃了一遍,發(fā)現(xiàn)沒(méi)有廠家敢接有機(jī)玻璃球的制作。因?yàn)樽鲇袡C(jī)玻璃球看起來(lái)不難,但是要求非常高的精度。大亞灣實(shí)驗(yàn)的精度是要求三毫米到五毫米。而到江門實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,需要更大的有機(jī)玻璃球,后來(lái)在國(guó)內(nèi)調(diào)研一圈,非常高興地發(fā)現(xiàn),才過(guò)了幾年,國(guó)內(nèi)的加工實(shí)力提高得非?,加工基本上沒(méi)什么問(wèn)題。所以我們現(xiàn)在是在跟公司合作生產(chǎn),而且大部分的部件都已經(jīng)生產(chǎn)完了,馬上就會(huì)開始安裝,而且我相信應(yīng)該只有我們能做,只有中國(guó)能做。
這里看到的是現(xiàn)在江門中微子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的照片,一個(gè)山溝溝里面,很漂亮,只不過(guò)交通不太方便。我們現(xiàn)在在施工的地方,將來(lái)安裝探測(cè)器的安裝大廳,這里是我們將來(lái)純化液體閃爍體的液閃純化大廳。然后這里有一個(gè)40%坡度的軌道車,就跟我們爬風(fēng)景點(diǎn)的纜車一樣,這樣一直走到地下700米,在一個(gè)山底下,同時(shí)這個(gè)地方有一個(gè)豎井,我們可以通過(guò)電梯下到地下700米,然后到達(dá)探測(cè)器。
我們?yōu)槭裁刺暨@樣一個(gè)地方,是因?yàn)橄霚y(cè)中微子振蕩,我們要求所有的來(lái)自反應(yīng)堆的中微子振蕩,它的振蕩的距離都一樣,要不然的話,有的振蕩到最大值,有個(gè)振蕩到最小值,振蕩信號(hào)就抵消掉了。所以我們要求的所有的反應(yīng)堆的距離都相等。江門中微子實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的是陽(yáng)江核電站跟臺(tái)山核電站發(fā)出來(lái)的中微子,所以實(shí)驗(yàn)點(diǎn)離陽(yáng)江核電站和臺(tái)山核電站的距離要精確一樣。我們通過(guò)計(jì)算找到允許的地方,有一個(gè)長(zhǎng)2公里、寬200米,只能選在這里面,正好這個(gè)地方有座山,這就是我們選點(diǎn)的地方。離廣州開車大概三個(gè)小時(shí)。
江門中微子實(shí)驗(yàn),現(xiàn)有18個(gè)國(guó)家,77個(gè)研究機(jī)構(gòu)參加,共600多名科學(xué)家參與這個(gè)實(shí)驗(yàn)。大概今年就開始探測(cè)器的安裝,到2023年會(huì)正式開始取數(shù)。
最重要的物理目標(biāo)是測(cè)量中微子質(zhì)量順序,大概要花六年的時(shí)間。但是在這之前我們會(huì)有很多物理結(jié)果出來(lái),比如說(shuō)我們把其中三個(gè)振蕩參數(shù)測(cè)到世界上最精確的程度,然后我們可以去研究太陽(yáng)中微子。我們通過(guò)探測(cè)來(lái)自于地球中微子事件,花六到十年可以確定地球物理的模型?梢酝ㄟ^(guò)六到十年時(shí)間去確定超新星的背景中微子。當(dāng)然超新星什么時(shí)候爆發(fā)我們不知道,因?yàn)閺?987年到現(xiàn)在,再也沒(méi)有一次爆發(fā),所以完全靠運(yùn)氣,但是我們?cè)敢獾?0年。我們最開始說(shuō)小柴昌俊他的最初的目標(biāo)是去找質(zhì)子衰變,那么我們也可以去找,用另外一種方法去找。
同時(shí)國(guó)際上有兩個(gè)正在建的跟我們同時(shí)代的三大實(shí)驗(yàn),美國(guó)的“沙丘”實(shí)驗(yàn),他們計(jì)劃2027年建成,日本的頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn),也是計(jì)劃在2027年建成。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)各有所長(zhǎng),目標(biāo)有一些相同,但是各有所長(zhǎng),彼此互補(bǔ),能回答很多的中微子的未解之謎。所以未來(lái)的一二十年或者二三十年,中微子一定會(huì)有更多更有意思的成果。