今天我報告的題目是“核電站內捕捉幽靈粒子”，主要是介紹大亞灣反應堆中微子實驗，以及我們現在正在進行的江門中微子實驗。這裡的幽靈粒子就是指中微子，因為中微子很難探測，我們人類對它的認識很少，以前我們甚至認為根本就看不到它，所以把它叫做幽靈粒子。而大亞灣實驗就是一個探測中微子的實驗。
出品：新浪科技《科學大家》 墨子沙龍
曹俊：中國科學院高能物理所研究員、副所長，大亞灣反應堆中微子實驗共同發言人，江門中微子實驗副發言人。研究方向為中微子物理與探測技術，作為主要人員曾獲國家自然科學一等獎。
（內容來自墨子沙龍“中國的大科學裝置”活動）
在我 1998 年從高能物理所博士畢業后不久，我們這個領域發生了一件大事兒，日本的超級神岡實驗，發現了中微子振蕩。我那時候雖然不是做中微子研究的，但是印象非常深刻 。1998 年的時候，我相信大部分人都還沒有用過網絡，也不是每個人都有電腦，我們在辦公室有個機房，裡面有一個惠普工作站 ，1998 年的 6 月 5 號，在日本的高山召開國際中微子大會，他們有網頁，有透明片傳過來，但是因為網絡很慢，所以我們每一張透明片都要等很久，我們好幾個學生圍在那兒，等着片子從日本一張一張地傳過來。
這就是其中的一張片子，展示了日本的超級神岡實驗發現中微子振蕩。這裡最大的一個字就是 6.2 σ，表示達到了 6.2 倍標準偏差，在我們粒子物理裡面，一個發現如果超出了 5 倍標準偏差，就可被確認為是一項科學發現。那時候還沒有 PPT， 梶田隆章當時報告的時候拿的幻燈片，是用手寫的，然後一張張放過去。
第二天，美國總統克林頓到 MIT 去做畢業生的演講，他說到：“就在昨天，日本科學家宣布了一項發現，發現微小的中微子具有質量。這個可能對大部分的美國人來說並不意味着什麼，但是它也許會改變我們最基本的理論，從最小的粒子的性質到我們宇宙是怎麼運轉的，以及它是怎麼膨脹的。同時這個發現也對華盛頓幾年前決定放棄超導超級對撞機的決定提出了一些疑問。更大的問題是，這些發現它的意義不僅僅局限於實驗室，它們影響我們整個的社會，不僅僅是經濟，也有我們對人生的看法，以及我們對人們之間相互關係的看法”。我在做科普演講時，經常會感到很尷尬，因為大家總會提問中微子有什麼用，這個問題很難回答。可惜我沒有機會見到克林頓，如果我能見到他，我想很好的請教一下，中微子到底是怎麼能夠改變我們人際之間關係的？
日本做出這個重要發現，並不是短時間的，這個故事應該從尾田隆章的老師小柴昌俊開始講起。小柴昌俊在 1983 年的時候在日本做了第一個實驗，叫神岡實驗，後來他的學生就是梶田隆章這一輩，做成了超級神岡實驗。日本現在正在修建頂級神岡實驗，計劃 2027 年建成，探測器越修越大。
小柴昌俊的實驗，有兩項核心技術，一項就是他們發明的 20 英寸的光電倍增管；另外一項核心技術就是挖坑灌水的技術。從 1980 年代開始一直到現在 ，40 多年時間，坑越挖越大，水越灌越多，當然不是簡單的挖個坑灌個水就行的，而是裡面有很多技術。持續這麼多年的發現，持續這麼多年的工作，才能使他們的技術逐步的提高，對中微子的理解，現在日本仍然是世界上水平最高的。
不過小柴昌俊最開始的目的並不是去研究中微子，這在中微子研究領域其實也比較普遍，我們關於中微子的研究，幾乎沒有跟我們所想一樣的，每次都會有意外發生，不管是我們研究太陽中微子、大氣中微子，還是反應堆中微子都會有反常，然後這些反常經常會導致新的重大的科學發現。
我們知道組成整個宇宙的粒子有六種夸克，六種輕子，這些粒子通過強相互作用力、弱相互作用力、電磁相互作用力結合在一起，這樣構成了我們整個的宇宙。在六種輕子裡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驗目標是研究質子的衰變，我們的普通世界都是由質子、中子組成的。它們其實只佔很小的一部分，包括 u 夸克 、d 夸克和電子，只有這一小塊，其他的都是不穩定的或者看不見的，像中微子。小柴昌俊研究質子衰變的目的，就是去研究能不能把所有力都統一起來。我們現在看到的電磁力，它的力程是非常長，無窮長。弱力只能在原子核裡面發生相互作用，看起來弱力跟電磁力像是完全不一樣的力。但是通過我們粒子物理學的研究，發現這兩種力其實是同一種，在宇宙誕生的最早期，這兩種力是統一的，它們是同一種力。
科學家自然就想到，弱力跟電磁力它們是同一種力，那麼會不會三種力都是同一種力？在能量更高或者宇宙更早期的時候，三種力就是同一種力出來的。如果這幾種力早期能夠統一為同一種力的話，質子就會衰變，這樣我們如果找到了質子衰變，那麼我們會找到更基本的理論，這是他原來的目的。但是小柴在整個實驗周期中都沒有找到質子衰變，一直到現在我們都沒有找到質子衰變，當然我們現在還在找，但是他看到其他的一些很奇怪的現象，大氣中微子的反常。
為什麼研究質子衰變會跑到中微子上去呢，是因為質子衰變它即使有，也是非常稀少的，所以為了看到它的信號，我們就必須把所有的假信號都除掉，中微子就是其中的一種假信號。
我們知道有種現象叫超新星爆發。如果一個星系裡面有一顆超新星爆炸的話，它的亮光就會超過整個星系的亮度，在這個時候它會發出很多很多的中微子，雖然它的光亮超過了整個星系，但是它 99% 的能量是被中微子帶走的。太陽在發熱發光的同時，也會放出很多中微子，我們把它叫做太陽中微子。我們可以用加速器來產生中微子，地球裡面因為它有天然放射性，鈾、釷、鉀，它們也會放出中微子，這也是地熱的主要來源。核電站在原子核發生裂變的時候會放出很多中微子，比如說一個典型的百萬千瓦的反應堆，它每一秒鐘會放出 35 萬億億個中微子。我們人的身體其實也會放出中微子，因為身體裡面有鉀，有鉀就會有鉀 -40 的同位素，我們一個人的鉀 -40 的放射性同位素應該是 5000 貝克，也就是說每一秒鐘會放出 5000 個中微子，那麼一個人大概一天會放出三億個中微子。
在研究質子衰變的時候，大氣中微子會對它形成假信號，大氣中微子就是高能的宇宙線，從宇宙到達地球大氣層以後，會跟大氣裡面的原子核發生碰撞，最終會產生很多中微子。這些中微子被探測器探測到之後，跟質子衰變的信號很難分開。為了研究質子衰變，就要把大氣中微子產生了多少假信號研究清楚，然後把它減掉，我們看到的才是質子衰變。
為了把這個研究清楚，小柴的學生梶田隆章發現大氣中微子跟我們想的不一樣，很多都丟了。至於為什麼丟，當時並不清楚，這個問題一直沒有解決。但是日本人非常幸運，就在小柴退休之前幾個星期，麥哲倫星系發生一次超新星爆炸 ，1987A， 他們探測到的來自超新星的中微子，這個結果被授予了 2002 年的諾貝爾獎。
在那之後的開始建造的超級神岡實驗是一個五萬噸的探測器，這個探測器一直到現在仍然是世界上最大的探測器。在這個探測器修建好以後，它的數據質量比神岡要好很多，我們就可以看到很清楚的信號。
這裡就看到了中微子的信號，右上角的圖，左邊的圖就是說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，橫坐標是天頂角，橫坐標是 1 的時候，最右邊的這個點表示中微子是從天上來的。等於 -1 的時候就表示從地底下來的，穿過了整個地球，那就說明中微子在產生以後，穿過地球的過程中丟了，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非常確鑿的證據。
我們說中微子振蕩跟波動一樣，中微子產生以後它會變少，然後又會變回來，然後又會變少，這樣的話，呈現一個波動，波動的振幅我們用ϴ來表示。這是一種量子干涉現象，因為每一種中微子裡面，它會同時存在幾個自己的本徵態。最早的中微子振蕩的跡象是來自於太陽中微子失蹤之謎。美國的戴維斯教授，他是從 1960 年代開始研究探測太陽中微子，他因為首次探測到來自太陽的中微子，證明太陽的能源是來自於氫核聚變這個現象，獲得了諾貝爾獎。
但是他不僅僅是證明了太陽的能源來自氫核聚變，同時他也發現了一個太陽中微子失蹤之謎，也就是說他看到的太陽中微子的個數只有我們預期的 1/3， 大部分的中微子都不見了。這個解釋有很多種，但是沒有一個令人信服的。
這個問題很多年沒有解決。一直到 1984 年美國加州大學有一個華人物理學家叫陳華森，他提出了一個非常天才的想法。他認為我們既然用水看不到太陽中微子去了哪裡，那麼我們用重水，如果用重水的話，我們能同時看見不同的中微子，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。他提出這個實驗由加拿大的薩德伯里完成。
但是非常不幸的是，陳華森幾年以後就因病去世了，這個實驗就改由加拿大的麥克唐納教授領導。麥克唐納領導的薩德伯里實驗在 2001 年發現了太陽中微子的丟失就是因為中微子的振蕩。
到 2002 年的時候，基本上科學家都相信中微子是振蕩的 。2015 年，這兩個實驗領頭的科學家梶田隆章和麥克唐納被授予了諾貝爾獎，因為他們發現了中微子振蕩現象，證實了中微子有質量。中微子有質量，是我們第一次有實驗證據超出粒子物理標準模型的新的現象，它有可能會導致新的物理。
有許多現象標準模型解釋不了，比如宇宙為什麼會加速膨脹 ，1998 年的時候，通過衛星實驗發現宇宙膨脹的速度不僅沒有減小，而是在加速，是一個很奇怪的現象。那是什麼力推動它加速的，我們到現在為止還不知道，所以我們把它叫做暗能量，認為有一種不知道的力叫暗能量，推動了宇宙在加速。
我們知道標準模型裡面有強力、有弱力、有電磁力，暗能量是一個什麼力，我們填不進去。另外一個就是銀河係為什麼能夠存在。早期的時候我們相信有一種暗物質把這些物質都凝聚成星系，我們現在看到所有的星系轉動的速度，都比我們預期要快，如果沒有一個額外的引力存在，那麼這個星系就會飛散。所以銀河系能夠存在，一定有個什麼東西產生引力，那麼我們把這個引力叫暗物質。
還有一個證明就是中微子為什麼會有質量？在標準模型裡面，中微子是沒有質量的，它怎麼產生的，我們也不知道，怎麼去修改模型，使它跟我們理論符合，我們也不知道，所以現在裡面有很多問題。一般來說，我們對中微子的研究，是有可能會導致新的理論，有可能會解釋宇宙的起源和演化。
我們看到了大氣中微子的振蕩，看到了太陽中微子的振蕩，其實還是應該有一種振蕩，我們把它叫做。從以前的實驗，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-反物質不對稱性有關係。為什麼我們宇宙能夠存在，現在看到的全是物質，我們覺得有可能中微子振蕩能解釋它。如果第三種振蕩是零的話，那麼這種不對稱性就不會存在，所以我們就沒辦法用中微子去解釋宇宙早期的謎底。
假如振蕩存在的話，那麼我們在離反應堆某一個地方，我們看到箭頭指的地方，它就會有這樣一個振蕩曲線，中微子就會丟一部分，我們現在確信中微子一定是振蕩的，那麼我們也一定需要知道振蕩有多大。那麼中微子研究的下一步就是我們去尋找第三種振蕩，這個就是大亞灣最先的起源。
實驗非常重要，國際上有很多競爭，中國的大亞灣實驗，法國的 Double Chooz 實驗，韓國的 RENO 實驗。大概在 2003 年的時候，國內就提出了我們要在大亞灣去做這樣一個實驗，那時候我在費米實驗室，我是 98 年畢業以後到了法國，然後到了美國去做中微子實驗研究。
在這張照片裡面有兩個人，一個我們現在的高能所所長王貽芳教授，一個美國加州大學的陸錦彪教授，他們兩個是大亞灣實驗的創始人。大概在 2003 年 9 月份的時候，我在美國費米實驗室辦公室里，接到王貽芳給我的電話，他是在日本的 KamLand 的實驗室，從他的值班室給我打的電話。因為他是這個實驗的成員之一，每年都有去值班的義務，值班的時候他碰到了陸錦彪，然後兩人一討論，覺得我們在大亞灣能夠做這個實驗，非常好，所以他就給我打了一個電話。他問我我們這個探測器設計是方的好，還是設計成圓柱體的好，方的搭起來容易，圓的搭起來難，但是性能是圓的好，方的不好。他問我方的行不行，然後我就做了一個計算機的模擬計算，過了兩個星期，我告訴他方的不行，所以後來我們看到的探測器都是圓柱形的。然後他說回來吧，我們有點事兒要幹了，又過了兩個星期我就回國了，開始參加這個實驗。這是 2003 年的時候。這幾張照片是我 2004 年拍的，就是我 2004 年第一次去大亞灣核電站的時候從大亞灣核電站餐廳拍的。
我們為什麼選擇在大亞灣去做這個實驗，是因為做這種實驗首先需要反應堆的功率越大越好，功率越大，我們看到的中微子數就越多，實驗就測得越準確。第二個，我們需要反應堆的旁邊有山，因為不管是中微子實驗還是暗物質實驗，它們都是非常稀有的事例，都會有很多假信號，我們要把它埋在山裡面，然後把這些假信號都濾掉，我們才看到比較乾淨的事例。我們看到大亞灣正好有這個條件，大亞灣核電站就是全世界最好的做這個實驗的地方。
這是我們最後建成后的實驗布局，在這裡有六個圓點，代表大亞灣核電站的六個反應堆。我們在地下修了一個隧道，總共三公里長，把三個實驗室連起來。兩個近點的探測器就探測兩塊核電站放射出的中微子，然後中微子從這兒出來以後，就會開始振蕩，有可能會丟一部分。我們在遠點放置四個探測器去探測振蕩。這是我們看到的探測器泡在一個水池裡面，這樣一個探測器直徑是五米，水池大概是十幾米 ，14 米乘 10 米。
這是一個直徑五米的探測器，中間是一個有機玻璃罐，裡面還有一個三米大的有機玻璃罐，有機玻璃罐子裡面放的是液體閃爍體，就跟我們平時玩兒的熒光棒一樣，它只要受點激發就會發光，只不過熒光棒是化學激發，我們這裡面是中微子發生反應以後，產生的帶電粒子，它會激發液閃發光。發出的光會從有機玻璃罐裡面傳出來，然後被光電倍增管看到，這些光電倍增管是裝在整個探測器的邊緣上，我們就用這個探測器來探測中微子。有一個中微子進到探測器里來，發生反應以後，就會看到連續的兩次閃光，然後我們就知道有一個中微子過來了。
我們探測器大概是 2011 年底完成安裝，但是在 2011 年的時候，日本的一個實驗說他們找到第三種振蕩有可能很大。原則上說他們有可能是最先發現第三種振蕩模式，但是他們比較不幸，因為我們都知道 2011 年的三月份日本的福島發生了大地震，把他們的儀器震壞了，所以他們暫時沒有辦法繼續做下去，要把儀器修好。而我們想，做了這麼久，如果落到人家後面就太可惜了。所以我們當時就改變了計劃，本來應該是八個探測器，我們只放了六個探測器就開始取數。最後在他們以及韓國人之前最先發現了中微子振蕩，開機后只用了 55 天的數據。在 2012 年的時候我們就發現了新的中微子振蕩，打開了中微子研究新的大門，對全世界科學家都是一個很好的消息。
體現在兩個方面，第一個就是它不為零，這樣的話有可能是中微子振蕩導致了宇宙早期的反物質消失，只留下正物質構成我們的世界。第二個是我們中微子後來還有一些研究，像中微子的質量排序。 這個值如果很小的話，以後的實驗我們現有的技術是沒有辦法做的。如果這個值很大，我們現有的技術就可以做。所以我們發現很大以後，國際上新一代的中微子實驗都開始部署，日本的頂級神岡試驗，我們的江門中微子實驗，還有美國的 DUNE 實驗都已經開始建造了。
從 2012 年到 2020 年大概有九年的數據，我們除了發現中微子振蕩以外，還做了三件事。第一件就是把振蕩的精度從 20% 提高到了 3%， 第二個我們測量了反應堆中微子能譜。後面這兩個不在我們原來計劃裡面，發現反應堆中的能譜跟我們想的也不一樣，至於為什麼會跟理論差那麼多，我們現在還不是很清楚。所以我們正在做一個台山中微子實驗去理解這些問題。另外一個我們排除了美國實驗說的有可能會存在第四種中微子的空間。
大亞灣實驗停止並不代表我們中微子實驗就不做了，實際上我們正在做一個更大更好的中微子實驗，叫江門中微子實驗。它的主要物理目標，一個是測量中微子的質量順序，另外一個是測量中微子的 CPE 相角。這個實驗會在地下 700 米修一個兩萬噸的探測器，將採用四萬個光電倍增管。
為了完成這個實驗，我們要修建一個現在國內最大的地下洞室，要做一款世界上探測效率最高的光電倍增管，要做國際上最大的有機玻璃容器，這個有機玻璃容器的直徑是 35.4 米 ，12 層樓高。在這之前國際上最大的就是 2015 年獲得諾貝爾獎的加拿大的實驗 12 米，我們比它的直徑要大三倍，體積要大 20 倍。因為探測器很大，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，這是對我們實驗的四大挑戰。
其實這些技術從大亞灣實驗開始，我們就在研究，然後從大亞灣到現在每一個方面在核心技術上，我們都有很大的突破。比如說光電倍增管，當時在國內我們發現做不出來，於是去日本買。到 2008 年的時候我們經過很多次嘗試，跟不同的兩個公司和研究所合作，一直到 2017 年，我們生產出了自己的光電倍增管，而且是用新的工藝，現在量子效率比日本的還要好。
在做大亞灣實驗時，我們把全中國的公司都掃了一遍，發現沒有廠家敢接有機玻璃球的製作。因為做有機玻璃球看起來不難，但是要求非常高的精度。大亞灣實驗的精度是要求三毫米到五毫米。而到江門實驗的時候，需要更大的有機玻璃球，後來在國內調研一圈，非常高興地發現，才過了幾年，國內的加工實力提高得非常快，加工基本上沒什麼問題。所以我們現在是在跟公司合作生產，而且大部分的部件都已經生產完了，馬上就會開始安裝，而且我相信應該只有我們能做，只有中國能做。
這裡看到的是現在江門中微子實驗現場的照片，一個山溝溝裡面，很漂亮，只不過交通不太方便。我們現在在施工的地方，將來安裝探測器的安裝大廳，這裡是我們將來純化液體閃爍體的液閃純化大廳。然後這裡有一個 40% 坡度的軌道車，就跟我們爬風景點的纜車一樣，這樣一直走到地下 700 米，在一個山底下，同時這個地方有一個豎井，我們可以通過電梯下到地下 700 米，然後到達探測器。
我們為什麼挑這樣一個地方，是因為想測中微子振蕩，我們要求所有的來自反應堆的中微子振蕩，它的振蕩的距離都一樣，要不然的話，有的振蕩到最大值，有個振蕩到最小值，振蕩信號就抵消掉了。所以我們要求的所有的反應堆的距離都相等。
江門中微子實驗觀測的是陽江核電站跟台山核電站發出來的中微子，所以實驗點離陽江核電站和台山核電站的距離要精確一樣。我們通過計算找到允許的地方，有一個長 2 公里、寬 200 米，只能選在這裡面，正好這個地方有座山，這就是我們選點的地方。離廣州開車大概三個小時。
江門中微子實驗，現有 18 個國家 ，77 個研究機構參加，共 600 多名科學家參與這個實驗。大概今年就開始探測器的安裝，到 2023 年會正式開始取數。
那麼我們能做些什麼？
最重要的物理目標是測量中微子質量順序，大概要花六年的時間。但是在這之前我們會有很多物理結果出來，比如說我們把其中三個振蕩參數測到世界上最精確的程度，然後我們可以去研究太陽中微子。我們通過探測來自於地球中微子事件，花六到十年可以確定地球物理的模型。可以通過六到十年時間去確定超新星的背景中微子。當然超新星什麼時候爆發我們不知道，因為從 1987 年到現在，再也沒有一次爆發，所以完全靠運氣，但是我們願意等 30 年。我們最開始說小柴昌俊他的最初的目標是去找質子衰變，那麼我們也可以去找，用另外一種方法去找。
同時國際上有兩個正在建的跟我們同時代的三大實驗，美國的“沙丘”實驗，他們計劃 2027 年建成，日本的頂級神岡實驗，也是計劃在 2027 年建成。這三個實驗各有所長，目標有一些相同，但是各有所長，互相互補，所以我們覺得未來的二三十年或者一二十年可以解決很多問題，能回答很多的中微子的未解之謎。所以未來的一二十年或者二三十年，中微子一定會有更多更有意思的成果。
演講者：曹俊
文字整理 ：wensicheng
排版 ：John