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【格致论道讲坛】探测到这些粒子,我们就能看到宇宙诞生的第一秒钟
2021-03-30|文章来源: |【
 

  

[video:曹俊-幽灵粒子变身之谜]

    我今天演讲的题目是“幽灵粒子的变身之谜”,其实讲的是中微子振荡。

  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,它比我们已知的质子、中子、电子要多十亿倍。

  但是它有一个很奇怪的特性,就是它基本上不和物质发生相互作用,所以很难探测到它。

  每秒钟都会有万亿个中微子穿过我们的身体,就和穿过空气一样,它不会发生任何反应。

  中微子还有一个非常特殊的性质,就是它能够变身。

  它在飞行过程中会从一种中微子变成另一种中微子,而且还能变回来,我们把这叫做中微子振荡。

  这是20多年前才发现的中微子非常特殊的性质。

  中微子振荡不仅特殊,而且科学意义非常重大,是因为它有可能能够突破现有的理论框架,发现自然界新的基本规律。

  宇宙在起源演化过程中有很多未解之谜可能和它有关系,所以我们需要去研究中微子振荡。

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  中微子振荡的发现过程

  因为中微子很难探测,它研究的过程是非常曲折而复杂的事,今天我向大家分享的就是中微子振荡发现中的故事。

  首先,我们提到中微子振荡,就必须要提到这个科学家——小柴昌俊。

  他是日本的科学家,写过一本自传,叫《我不是一个好学生》,因为他当时在他们班上是倒数第一名。

  但就是这样一个差学生,成为了中微子研究的先驱之一。他领导建立了日本的神冈实验,他的学生建造了一个5万吨的超级神冈实验。

  在今年,更下一代的中微子实验——顶级神冈实验也得到了批准,预期在2027年建成。

  在发展神冈实验的过程中,小柴昌俊发展了两项核心技术。

  第一项就是他现在抱着的50厘米大的光电倍增管,可以探测到单光子,非常灵敏的一个光电探测技术。

  另一项技术,我们把它叫做挖坑、灌水。他们在地下1000米的地方挖了一个坑,灌了3000吨纯净水。

  到1996年时,他们灌的是5万吨纯净水,即使到现在,仍然是世界上最大的探测器。

  到下一代,他们会建造一个26万吨纯净水的探测器。

  但是小柴昌俊走向中微子的研究道路,纯粹是一个偶然,因为他最初的物理目标不是中微子,而是去找质子衰变。

  我们知道,自然界是由六种夸克和六种轻子组成的,然后有三种力把这些基本粒子结合在一起,组成宏观物质,比如质子就是由三种夸克组成的。

  在宇宙诞生的最早期,弱相互作用力和电磁力其实是同一种力,这两种力是统一的,这是我们已经发现了的科学规律。

  那么大家就想,有没有可能这三种力在宇宙更早期时就是统一的,或者说能量更高时,它们就是同一种力,我们把它叫做大统一理论。

  如果这几种力能够统一为一种力,就会出现一种现象,即质子会衰变,这就是小柴昌俊当时去找的质子衰变现象。

   

  如果质子衰变了,整个世界都会土崩瓦解,变成像灰尘一样的东西。

  不过大家不用担心,神冈实验和超级神冈实验都没有找到质子衰变,而且给它了一个下限,就是说质子即使会衰变,它的寿命也会长于10的34次方年。

  我们知道宇宙的寿命到现在是138亿年,也就是10的10次方,所以质子的寿命至少比宇宙的寿命还要长一亿亿亿倍,所以大家不用担心。

  虽然没有找到质子衰变,但是他们偶然地发现了中微子存在重大问题。

  我们周围充斥着很多中微子,比如在宇宙大爆炸的第一秒钟就产生了无穷多的中微子,这些中微子一直留存到现在。

  我们周围的空间,整个宇宙空间,每一立方厘米的空间之内,就会有300个这样的中微子。

  只不过它们随着宇宙膨胀变得特别冷,还没有办法探测到。如果我们有办法探测到这些中微子,就一直能看到宇宙诞生的第一秒钟。

  我们还知道宇宙中的超新星爆发会产生特别多的中微子。太阳发热的过程中,里面的轻核聚变也会放出很多中微子。

  宇宙线打在地球的大气层里,会产生大气中微子。人工的加速器会产生中微子。

  地球里有放射性的铀、钍、钾,它们衰变会产生地球中微子。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。

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  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。

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  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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本文来自微信公众号:格致论道讲坛(ID:SELFtalks),作者:曹俊 原地址:https://mp.weixin.qq.com/s/BtwYDR9ujP4AOa1VJGkqwA


 
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