【連載】趣說中微子（完結）

2020-12-27 中科院高能所

從泡利提出中微子概念至今已有80餘年，在中微子假說的提出、中微子的發現及研究中微子的過程中一波九折，其中有不少很有趣的故事，使本來就像幽靈的中微子顯得更加神秘。

發現第三種振蕩

2012年3月8日，大亞灣中微子實驗國際合作組宣布發現新的中微子振蕩模式，實驗達到了前所未有的精度。這一重要成果是對物質世界基本規律的一項新的認識，對中微子物理未來發展方向起到了決定性作用，並將有助於破解宇宙中「反物質消失之謎」。4月27日，題為《大亞灣中微子實驗發現電子反中微子消失》的論文在美國《物理評論快報》正式發表。中微子第三種振蕩的確認，振奮了物理學界。許多人認為這是半個多世紀以來中國人最重要的實驗物理學成果。

中微子共有三種類型，分別是電子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子，中微子可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，稱為中微子振蕩。這些類型的中微子之間應有三種振蕩模式，可以用三個振蕩機率（即物理學中的基本參數——中微子混合角）來描述。有兩種振蕩模式已分別由大氣中微子振蕩和太陽中微子振蕩測得，但第三種振蕩模式一直未被發現，理論預計其振蕩機率非常小，難以測定，甚至還有理論預言其根本不存在（其數值為0）。但第三種振蕩決定了未來中微子實驗的發展方向，科學意義重大，確定第三種振蕩機率成為國際上中微子實驗的熱點，先後有7個國家提出了8個實驗方案，最終進入建設階段的只有3個。

大亞灣中微子實驗的設想是中國科學院高能物理研究所科研人員2003年提出的，旨在利用中國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子來尋找中微子的第三種振蕩模式，並制定了實驗和探測器的總體設計方案。由於這一方案具有獨特的地理優勢和獨到的設計，得到了國際上的廣泛支持，吸引了來自中國大陸、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣等國家和地區的200多名科學家共同參與。

大亞灣中微子實驗位於中國廣東省深圳市大亞灣，一個實驗廳距大亞灣核電站約2公裡，另兩個實驗廳離核電站約300-400米。實驗通過探測中微子與質子的反應來研究中微子，用在嶺澳近點、大亞灣近點以及遠點三個實驗大廳的8個探測器來獲取數據，用不同距離間的相對測量來抵消誤差。單個探測器為直徑5米、高5米的圓柱形，裡面充滿透明的液體閃爍體，總重110噸。周圍緊鄰的核反應堆產生海量的電子反中微子，近點實驗大廳中的探測器測量這些中微子的初始通量，而遠點實驗大廳的探測器負責尋找預期中的通量減少。

大亞灣中微子實驗示意圖

在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，科研人員使用6個中微子探測器完成了實驗數據的獲取、質量檢查、刻度、修正和數據分析。結果表明中微子第三種振蕩機率為9.2%，誤差僅為1.7%，從而首次發現了這種新的中微子振蕩模式（此前，日本、美國和法國的實驗室曾測量過這一振蕩機率，但由於誤差較大，無法給出決定性的結論）。

2012年12月20日，美國《科學》雜誌公布了2012年度世界十大科學突破，大亞灣中微子實驗發現第三種中微子振蕩模式的成果上榜。《科學》雜誌的評價是，「如果物理學家無法發現超越希格斯玻色子的新粒子，那麼中微子物理可能會代表粒子物理學的未來。大亞灣實驗的結果可能就是標誌著這一領域起飛的時刻。」

2015年11月9日，被稱為科學界「第一巨獎」的「科學突破獎」2016年度的獲獎名單在美國揭曉。其中，獲「基礎物理學突破獎」的5個項目和7名領導人為：中國大亞灣中微子實驗的王貽芳（中科院高能所）和陸錦標（伯克利）；日本KamLAND實驗的鈴木厚人；日本K2K/T2K實驗的西川公一郎；加拿大薩德伯裡中微子實驗的麥克唐納；日本超級神岡探測器的梶田隆章和鈴木洋一郎。科學突破獎單項獎金高達300萬美元，遠超諾貝爾獎，這是中國科學家首次獲得該獎項。

未來的突破

正因大亞灣中微子實驗發現了第三種振蕩模式，並發現其振蕩機率（1-3混合角）遠大於預期，因此用現有的技術就可以進行中微子質量順序測量和CP破壞的研究，這極大地激發了中微子研究的熱度。展望中微子研究的未來，國際上有多個中微子新實驗被批准或正在申請中，競爭力較強的有：中國的JUNO，美國的LBNE（現為DUNE）、美國在南極洲的PINGU、日本的超超級神岡（Hyper-K），此外還有歐洲的LBNO、韓國的RENO-50、印度的INO，以及美國的NOvA等。可以預期，未來的一二十年中將會有更多的中微子秘密被揭開，各實驗之間也將展開激烈的競爭。

江門中微子實驗（JUNO）是一個以中國為主、多國參與的大型基礎科學研究項目，合作單位在原來大亞灣中微子實驗合作組的基礎上進一步擴大，目前已有12個國家和地區的62個單位參加，成員達300餘人。JUNO將設計、研製並運行一個國際領先的中微子實驗站，以測定中微子質量順序、精確測量中微子混合參數，並進行其它多項科學前沿研究。2015年1月，JUNO正式啟動建設，預計2020年建成並開始物理取數，計劃運行20年左右。

JUNO位於廣東省江門開平市郊打石山地下700米深處，其實驗大廳是國內跨度和土石方量最大的地下洞室。為了儘可能多地捕獲從核電站飛來的中微子，將建造一個史上最大，12層樓高的空心有機玻璃球，球內充滿2萬噸能與中微子反應的液體閃爍體，有機玻璃球放置在一個直徑40多米、容積5萬立方米的水池裡，水池中將安裝20000隻直徑20英寸的光電倍增管。JUNO實驗裝置總造價約20億元人民幣。

江門中微子實驗探測器示意圖江門中微子實驗探測器示意圖

用於探測極微量光子的高性能光電倍增管是中微子探測的關鍵部件之一，而國際上大口徑高性能光電倍增管的製造被日本濱松光子學株式會社壟斷。JUNO需要15000隻直徑20英寸的高性能光電倍增管，中國科學家下決心打破日本公司的壟斷，通過自主創新全面掌握核心技術實現國產化。

JUNO光電倍增管的預研早在2008年就已啟動，2011年正式成立了由高能所牽頭，北方夜視技術股份有限公司等單位組成的研製合作組。歷經四年，終於攻克了高量子效率的光陰極製備技術、微通道板、大尺寸低本底玻殼、以及真空光電子器件封裝技術等多個技術難點，研製出關鍵技術指標達到國際先進水平，擁有完全自主智慧財產權的樣管，順利進入工程化和批量生產準備階段。北方夜視科技集團有限公司在國際招標中一舉擊敗長期壟斷此器件的日本濱松公司，競標15000隻20英寸光電倍增管項目成功，濱松公司得到了另外5000隻的合同。2015年12月16日北方夜視與高能所就「20英寸光電倍增管採購合同」舉行了籤約儀式，合同總金額達2億多。

高能所與北方夜視的籤約儀式，會議桌上放著兩個20英寸光電倍增管

中國大亞灣中微子實驗的成功積累了寶貴的經驗，有理由相信，JUNO有望在未來的競爭中有更加出色的表現，解決國際中微子研究中的下一個熱點和重大問題：中微子質量順序，同時可以進行其他豐富的物理研究，並通過JUNO的建設帶動建立一支國際領先的科研團隊，鞏固中國在中微子研究領域的領先地位，成為國際中微子研究的中心之一。


參考資料

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10. 神秘的粒子物理 http://www.ihep.ac.cn/kejiyuandi/zhishi/071129-hep/index01.htm

11. 邢志忠，從克格勃間諜到中微子教父 http://blog.sciencenet.cn/blog-3779-719117.html

12. 邢志忠，破解太陽中微子失蹤之謎 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3779&do=blog&id=8334

13. 中微子研究四獲諾貝爾獎，日本科學家「無心插柳」獲重要發現 http://news.163.com/15/1008/12/B5DF0APV00014AED.html

14. 曹俊，超級神岡：想的是A，看到的是B，做的是C http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=296183&do=blog&id=926950

15. 湯雙，中微子趣史，《博覽群書》2012年09期

16. 中微子研究回顧和一些進展 http://wenda.chinabaike.com/html/20103/q1313489.html

17. 中微子研究http://www.66test.com/Content/3170338_9.html

18. 中微子探測的一萬隻「眼睛」的故事 http://dy.qq.com/article.htm?id=20151123A02J7500

19. 曹俊，日本T2K實驗觀察到新的中微子轉換現象 http://blog.sciencenet.cn/blog-296183-455775.html

20. 詳解之不靠譜的「中微子超光速」 http://yule.sohu.com/20111205/n327959480.shtml

21. 曹俊，大亞灣與江門中微子實驗，《中國科學》2014年第44卷第10期

22. 粒子探測器「冰立方」：藏在南極的中微子「捕手」 http://www.wokeji.com/qyts/1_qykj/201312/t20131205_598372.shtml

23. 南極「冰立方」探測到超高能中微子 http://tech.qq.com/a/20140416/005851.htm

24. 「宇宙信使」的中微子在南極冰立方的穿越中留下萬物理論的神奇信息 http://spirittravel.home.news.cn/blog/a/010100002B580D0F88AEBFD7.html

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