2015年1月10日
从大亚湾到江门——中国中微子研究

早在1930年，物理学家就预言有中微子。后来发现，这个比电子还小几十甚至几百倍的“小东西”，是基本粒子中最诡谲的一个。它们来自超新星、太阳、地核内部和地面上的核反应堆，来无影、去无踪，能穿透一切，极少被吸收，难以捕捉到，也没有发现它的衰变。不衰变，就意味着“不死亡”。这种几乎“无形、无体、无死亡”的神秘物质属性，引起了世人的极大好奇。人们预料，在它们的后面，一定隐匿着物质世界更大的秘密，因而围绕着这个“小东西”，展开了长达半个世纪的不懈探索。

在对中微子探索方面，中国已经跻身到了世界的前列。2012年3月8日，建立在中国深圳大亚湾的实验装置，捕捉到了中微子的第三种振荡，这一成果引起了世界瞩目，被评为当年世界十大科学突破之一；2015年9月11日大亚湾中微子实验站又有了新的进展，对中微子质量的测量达到了世界上的最高精度，再次引起世界同行的关注；为了深化对中微子研究，2015年1月10日，中国不失时机地再次兴建了另一个中微子研究中心，这就是坐落在广东省的“江门中微子实验站”，它成为世界知名的又一个由国人主持的中微子探测基地。

什么是中微子振荡呢？第三种振荡又是什么呢？它又是怎么发现的呢？

自从1930年从理论上提出中微子，在长达20多年的搜寻之后，直到1956年，人们才从实验中“看”到了它。中微子的存在既给人们带来了希望，也使人们感到了不安。希望的是，这个粒子在自然界广为存在，它们是连接宇观、宏观与微观三大物理世界的媒介，研究这个粒子意味着给物理学、天文学、粒子物理学，甚至宇宙学带来新的突破，然而，随着对中微子的深入研究，越来越多的谜团也随之出现。不光是它的大小不知道，连它和它的反粒子是否是同一个粒子也不清楚。更令人不解的是，还发现在一些过程中，有大量的中微子不知到哪里去了，成为“中微子丢失之谜”，当然，这些困惑也意味着机遇，正因如此，中微子成为广受瞩目的研究热点。然而中微子的研究，却是困难重重。

虽然中微子的假设和理论研究非常成功，但是观测它却异常的艰难。它几乎不与任何其他粒子作用，难以捕捉到它。经过了若干年的迷惘之后，人们才终于发现，中微子有三种类型，这就是电子中微子、μ子中微子和τ中微子。在现今所知道的12种基本粒子中，中微子居然占了四分之一，足见它的重要性。

中微子在飞行中有丢失现象，这就是困扰人们的“太阳中微子丢失之谜”和“大气中微子之谜”，这个谜长达30年之久，不知原因所在。直到1998年，日本超级神冈实验站发现了中微子振荡现象之后，这些谜团才被初步揭开。原来，中微子还有个特殊的能耐，它能像耍“四川变脸戏”那样，在三种不同的角色中来回变来变去。人们这才知道，中微子在传播过程中并未丢失，而是从一种变到了另一种，使统计数量出现了问题，这就是中微子振荡现象。

从理论上预言，中微子应该有3种振荡形式，然而人们所发现的只有两种，有没有第三种振荡呢？为什么长时间的搜寻，第三种振荡始终没有现身呢？于是，有的人认为，这第三种振荡形式根本不存在，说这话的人并不是普通人，而是长期从事中微子研究的专家，他们提出了一个很令人信服的“第三种振荡几率为零”的理论。

2002年，两名美日科学家因发现大气中微子的振荡和太阳中微子振荡现象，获得了当年的诺贝尔物理学奖，但是到那时为止，第三种振荡形式还是没有现身。锲而不舍的大有人在，为了扩大搜寻，世界上先后有7个国家提出了8种实验方案。限于人手、经费等诸多因素，最终实际进入建设阶段的只剩了3个，其中就有一个响亮的名字，这就是中国的“大亚湾中微子实验站”，最后正是在它这里，首先发现了中微子的第三种振荡。

大亚湾中微子实验站成立于2006年，这是一个国际的合作项目，有38个来自不同国度和不同地区的成员，共292人，主要科技力量来自中国高能物理研究所。实验站的中微子源来自有6个反应堆的大亚湾核电站。中微子实验站共3个实验室，捕捉中微子的“神器”是6个重达百吨级的探测器。关键中的关键是设置这些“神器”位置，它们离反应堆的距离非常重要。根据精心的理论计算与设计策划，这6个探测器与反应堆的距离远近不同，是按照测量中微子“消失率”设置的。其中近点探测厅坐落在地下100米深的洞下，两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器安装在巨型水池中。水池灌满了超纯水，池壁上安装了光电倍增管，如图1所示。为什么探测器要泡在水里呢？这就是要通过切伦科夫辐射效应，去除来自宇宙线的中微子对实验的干扰。图2为净水池中的两个中微子探测器。

从2011年12月24日开始，到2012年2月17日，仅这55天中，离反应堆近处的探测器收集到了80376个反中微子，而远处探测器只探测到了10416个中微子，这表明中微子显现出来一种新型的振荡模式。经计算，这个结果的置信度高达5.2，获得了中微子的第三种振荡的可信证据。这一成果成为近年来，世界中微子研究的重大成果，也是中国基础物理实验研究的最大贡献。这个结果在2012年3月8日举行的新闻发布会上由中国高能物理所正式发表。

建在广东的江门中微子实验站，位于地下700米的地下洞室内，它的实验目标是利用中微子的振荡，确定它的质量顺序，精确测定中微子的混合参数。这个实验对于人类认识物质微观基本结构、宏观宇宙起源与演化、大气中微子、太阳中微子、超新星中微子、地球中微子等都有重要意义。

江门中微子实验站建站独特，它同时利用了两个反应堆，应用多堆的方案在世界上首屈一指。虽然在这之前，也有人曾提出过，但是从来没有人能把这一方案实施出来。实验地址距离广东阳江和台山反应堆群约53千米，阳江核电站共有6个反应堆，已经全部建成，总热功率17.4吉瓦，而台山核电站规划有4个反应堆，总热功率18.4吉瓦。阳江与台山核电站堆群数量最多，总热功率也居世界第一，这就使得江门实验站有了世界最优越的实验条件。

2015年10月6日，当年的诺贝尔物理学奖颁给了加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳和日本物理学家梶田隆章，表彰他们通过中微子振荡发现中微子具有质量的研究成果。由此看出了为什么中微子的第三种振荡的发现如此重要，因为正是由于2012年大亚湾中微子实验站所取得的成果，补齐了中微子振荡的证据，而且这个证据又是其中关键的一环，从而把梶田隆章和麦克唐纳送上了诺贝尔物理学奖的领奖台。

中微子三种振荡的发现，把中微子振荡证据上的最后一个环节补齐，此外，更深刻的意义还在于，这一发现表明，中微子和反中微子可能会以不同方式反复转变，很可能以此为突破口，解释出为什么在我们这个宇宙里，含有如此多的物质，却有如此少的反物质，由此，中微子物理有可能影响着粒子物理未来的走向。

研究中微子的意义并不只有这些。研究中微子，可以监视核武器的制造，因为每当利用反应堆提取“钚”，中微子的流量就会上升；利用中微子，还可以研究反物质，因为中微子的振荡参数中的一个指标就直接与反物质的存在相关；此外，更重要的是，中微子是人类探索宇宙的一扇窗，由于它少有与其他粒子相互作用，是目前所知，唯一以光速穿行远距离而不受到干扰的粒子，它能带来更深远处的宇宙信息，而使我们得以在地面进行探测，因而成为探测太阳系外天体的重要工具；中微子还是宇宙问题与粒子问题相联系的一个重要媒介，更对粒子物理有特殊的重要性，因为它的质量非常小，可以在标准模型理论中，作为低能小粒子扩充的典型；在微观粒子通信上，中微子也很有前景，目前已经通过加速器，使相干中微子的信息穿过780英尺厚的岩层传输了出去，首次实现了中微子二进制的通信。利用中微子穿透地球断层时，通过扫描获得的断层性质，还可以对地震趋势作出预测。

可以说中微子是现代物理学中的明星粒子，在过去十多年来，诺贝尔物理学奖已经有4次颁给了中微子研究。如果未来自然界的正反物质之谜得以利用中微子研究揭开，与中微子相关的诺贝尔物理奖还可能再补充一个奖项，这就是奖励利用中微子开创研究宇宙正反物质不对称，以及研究地球科学的先驱，而这一课题正是与大亚湾及江门的探测紧密相关。目前在中微子领域，中国已经站到了世界的前沿上，无疑，在中微子的研究上，正面临着重大的机遇。

关键词：大亚湾中微子实验站，江门中微子实验站，中微子，中微子振荡，Daya bay neutrino experiment station，Jiangmen neutrino experiment station，neutrino，neutrino oscillation

图1：（略）

图2：（略）