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与专家面对面现场实录:解读中微子

科普中国2015年12月14日16:00

[摘要]中微子是什么?什么是中微子振荡?讲座上主持人与专家们将一起探讨上述问题。

主办:中国科学技术协会

承办:腾讯

时间:2015年11月28日上午(周六)10:00至11:30

地点:北京航空航天大学沙河校区实验楼4 205

主持人:

张力巍 中国科技馆

讲座专家:

李玉峰:中国科学院高能物理研究所副研究员

何苗:中国科学院高能物理研究所副研究员

王志民:中国科学院高能物理研究所副研究员

与专家面对面现场实录:解读中微子

“与专家面对面”活动现场

张力巍:大家上午好!欢迎大家参加由中国科协主办、腾讯承办的科普中国科学为你解疑释惑——与专家面对面系列讲座之“中微子——解读2015诺贝尔物理学奖”。我们今天将围绕中微子是什么?什么是中微子振荡?包括大气中微子振荡怎么发现的?等等这些问题,还包括一些大亚湾项目这些问题开展研讨。首先介绍一下三位专家:李玉峰,中国科学院高能物理研究所副研究员,主要研究方向为中微子物理和中微子天文学;何苗,中国科学院高能物理研究所副研究员,主要研究方向为中微子实验与数据分析;王志民,中国科学院高能物理研究所副研究员,主要研究方向为中微子实验及探测器设计。

感谢三位专家的到来,我们之前准备了一些问题,都是比较共性的先了解一下,第一个问题就是中微子到底是什么?请李老师跟大家说说。

李玉峰:首先我给大家介绍一下中微子的基本概念,中微子是自然界的一种非常微小的基本粒子,自然界有三种不同类型的中微子:电子中微子,μ中微子和τ中微子,我们说的中微子振荡就是指三种中微子之间互相的转换。中微子顾名思义不参与我们平时常见的电磁相互作用,只有非常微弱的弱相互作用。之前科学家认为中微子是没有质量的,跟光子一样,质量为零,但是通过中微子振荡研究我们知道中微子具有微小的质量,而这个质量到底是多大呢?我们做一个比较,它是最轻的带电粒子,电子质量的百万分之一,所以它的质量非常非常微小的,我们现在只能通过中微子振荡来评估它的质量。

王志民:其实中微子概念提出的历史很长了:从最开始提出再到最终发现直至现在的测量已经有一百多年的历史了,最开始中微子提出是1930年泡利,为了解释β衰变中电子能谱的连续性和避免能量不守恒问题,提出来可能存在这样的粒子,这种粒子引入之后可以不用破坏能量守恒来解释β衰变过程,而正式命名中微子大概是1932年、1933年的时候,费米把这个名字修改为中微子。第一个中微子的发现,大概经过了20多年, 1956年,柯万、莱因斯测量发现了反应堆反电子中微子;然后在1962年美国的莱德曼、舒瓦茨、斯坦伯格发现第二种中微子μ中微子,也就是大气中微子;现在已知的最后一个τ中微子,是在2000年的时候由美国费米实验室测量发现的。所以中微子本身从提出到测量发现经历了很长、很长的时间,直到现在也还没有完全理解中微子的特性,包括它的大小、它的质量,还需要我们更多的研究,以后大家也可以有机会参与进来,估计等大家真正工作的时候或者研究的时候,我们对这个问题也不一定能完全回答清楚,如果能够回答清楚了,我们对世界对宇宙的理解将会更加完善。

张力巍:刚才两位老师简单地给大家介绍一下中微子提出到发现的历史,那么接下来的问题是,它是怎么产生的?或者说自然界中为什么会存在中微子这种东西?

李玉峰:中微子有很多产生方式,我们最常见的是太阳内部核聚变产生的中微子,称为太阳中微子。地球内部的放射性元素,比如铀、钍、钾,在衰变的时候也会产生大量的中微子,叫做地球中微子。高能宇宙线穿越过大气层的时候,会跟大气层相互作用产生大量的中微子,称为大气中微子。在超新星爆发过程当中也会有大量的中微子发出。此外,宇宙大爆炸早期也会有非常多的中微子产生,早期的大爆炸中微子演化到现在大概每立方厘米有300多中微子,可以说中微子是无处不在的,我们随手一抓就有成千上万的中微子。但是由于它们和物质相互作用非常非常微小,因此我们无法感应到它的存在。

何苗:事实上除了自然界中微子之外,我们人类活动也可以产生大量的中微子,其中一个最典型的例子,就是在核电站里面反应堆运行过程中会产生大量的中微子,以大亚湾反应堆为例,每秒钟大概能放出一万亿亿个中微子,这个是非常巨大的,所以反应堆也是特别适合用来做中微子实验,很多中微子实验都是放在反应堆旁边的,比如说中国的大亚湾实验。除了反应堆之外还有高能粒子加速器,我们用加速器加速粒子打靶的时候也会产生大量的中微子,国外用高能粒子加速器产生高功率高能中微子进行中微子实验研究。

王志民:其实除了天然和人造的中微子源之外,我们每个人也都是中微子的产生源之一,因为大家知道自然界存在天然放射性,我们周围几乎是被天然放射性物质包围的,进一步讲,我们人体,我们要摄入很多的微量元素,比如说钾,钾有一种同位素40K,会发生β衰变,当它衰变的时候也会释放出中微子,人体平均每公斤大概含有40K 约60贝克,我们青年人体重大概60~80公斤左右,也就是每秒钟大概有四千到五千个中微子放出;另外一个人体内的中微子源是碳:人体大部分是碳水化合物,而碳有一种同位素是14C, 虽然它的相对丰度很低,但是折算下来,一个成年人人体里面的14C含量也在一万到一万五千贝克左右,它也会通过β衰变释放中微子。人体中的这两个中微子来源加起来的话,一秒钟我们成年人身体大概释放一万到两万个中微子,所以我们人体也是很强的中微子源。

张力巍:可以说中微子无处不在,那么,怎么检测不同种类的中微子,或者说怎么判断这是我的,还是大气的还是太阳的?

何苗:实际上中微子探测是非常困难的,主要原因是中微子跟物质发生相互作用概率非常非常小,跟我们日常生活常见的电磁相互作用相比,中微子跟物质发生作用的概率低十几个数量级,中微子探测第一个前提条件是建造一个体积非常巨大的探测器。我们中微子探测器从早期几吨,到现在几十吨甚至上万吨,在未来国际上还想建立百万吨量级的探测器。这样的话它能够跟中微子发生足够多的相互作用,才能看到中微子。

另外一个条件我们需要把探测器放在绝对干净的环境里面,因为我们日常生活中其他信号可以干扰中微子信号,不同的中微子跟探测器发生相互作用之后,末端生成的产物来看,不同种类的中微子发生作用以后产生出来的产物是不一样,我们根据的这些产物的特征,比如说产生的是μ子还是τ子,就可以判断中微子到底是什么种类。

张力巍:也就是说它的要求非常苛刻。

何苗:是的,可以这样说。

张力巍:我们现在看到中微子探测器大都是埋在地下的,为什么埋在地下,地下条件更适合吗?

何苗:是的。

王志民:刚才我们也听到了,因为中微子虽然是很多,但是它跟周围物质发生反应的几率特别、特别低,相当于我们测量它的时候产生的信号也特别少。如果信号比较少,你必须把噪音降低到一定程度,提高信噪比才能够足够清楚地测量出信号。中微子的噪音我们在实验里面称为本底,很大一部分本底来自于宇宙线及其产生的相关同位素。而μ子因为能量特别高穿透能力特别强,我们只能在它经过的路径上增加很多岩石或者是铅来吸收,这是降低它影响的最有效方式,利用山体的覆盖厚度吸收μ子,减少它的通量,就可以在探测器里面减少它以及它后面产生的同位素带来的本底问题。比如说一百米岩石可以把宇宙线μ子的流强从地面大概一平米一百到两百赫兹降低2到3个量级;如果岩石覆盖厚度达到四千米左右,我们可以把宇宙线流强降低约10个量级,这时探测器看到的宇宙线带来的本底几乎能跟周围天然放射性带来的本底相当,所以一般我们把探测器放在地下。

何苗:我想再补充一点,就是用一句话广告词,我们不生产放射性,我们也不是放射性的搬运工,相反我们害怕放射性,所以我们需要把探测器深埋在地底下,远离地面上很高的宇宙线带来的放射性。

张力巍:今年中微子振荡得奖了,到底什么是中微子振荡?

何苗:中微子振荡这个解释可能是比较复杂的,我想我们从两个方面解释,通俗的角度解释所谓中微子振荡,就是一种类型的中微子在飞行过程中变成另外一种类型的中微子,从物理上理解中微子振荡实际上是中微子三种质量本征态之间发生的量子相干效应。大家如果学过量子力学的话可能会听懂。

张力巍:学过量子力学的同学多吗?

何苗:更加通俗的话只能举一些生活中的例子,也许不太恰当的例子,比如说一个苹果刚买来的时候是青的,放了一段时间之后变成红的,这是中微子振荡,因为它改变了味道或者是改变了它的种类。

李玉峰:今年诺贝尔奖授予中微子振荡,这表明中微子具有非零的质量。那么基本粒子是怎么获得质量呢?首先我们说一下希格斯机制,在2012年欧洲核子中心发现了希格斯玻色子(Higgs boson),2013年希格斯和另外一个物理学家恩格勒一起获得诺贝尔奖,希格斯玻色子的主要的作用就是赋予基本粒子质量,对中微子来说,第一步我们当然可以通过它和希格斯玻色子相互作用赋予质量,希格斯机制有一个非常直观的解读,也是之前大家用的比较多的比喻,当一个人在比较空旷的教室走过时他可以走的很快,但是如果这里面人非常非常多,你要穿过的话,你需要和每个人借光,或者让他让一下,这样你就会走得非常慢。我们的基本粒子在传播的过程,整个宇宙中也充满了希格斯粒子,由于基本粒子和希格斯粒子的相互作用,它们就走得比较慢,这就表明它们获得了质量。中微子也可以以这样方式获得质量,但是也有可能它比这个机制更复杂一些,因为中微子的质量比其他粒子小一百万倍或者更大一个差别,我们要理解它为什么这么轻,现在大家流行的一种解释就是说,有一种翘翘板机制,自然界有一种非常重的中微子,这种中微子跟我们平常的中微子也有相互作用,通过非常重的中微子能把轻的中微子压得更低,就是翘翘板机制:“重的越重,轻得就越轻”。这就是为什么中微子质量非常小的可能解释。

张力巍:今年得奖的大气中微子振荡是怎么发现的,通过什么方法提炼的?

何苗:大气中微子是高能的宇宙射线穿过地球大气层的时候产生的,实际上在上世纪80年代的时候,日本的神岗实验以及国际上其他几个实验,他们先后发现在地面上观测到的大气中微子的个数比理论预计的个数要少,当时这个现象没有得到解释,被称之为大气中微子消失之迷。后来日本又升级了神岗实验,建成水平更大的超级神岗实验,在1998年的时候,超级神岗发表它们的观测结果,它们同时看到了大气中微子个数确实比预计少了,他们发现减少的比例随着大气中微子穿过地球的长度或者穿过地球距离是有关系的,这关系正是中微子发生振荡最典型的特征。举个例子说从天上过来的中微子,或者从头顶过来的中微子,因为它穿过的距离比较短,大概只有几十公里,所以这个大气中微子基本上没有消失,但是从地底下过来的中微子,它在地球里面穿过几千公里之后,就会发生很大比例的消失,正是因为观测到这个现象,超级神岗实验证实了大气中微子确实发生了振荡,正是因为这个发现超级神岗实验和他们的领导人得了诺贝尔奖。

王志民:说到它的发现不得不说一下这个实验的探测器,超级神冈探测器也是有很长的历史,最开始的第一代探测器是2002年的诺贝尔奖获得者小柴昌俊在1983年领导建造的,到1998年证实掌握确凿的证据的时候,整整经历了15年。它的探测器简单说是建造在地下岩石覆盖约1000多米的一个大的水池子,这个水池子高度是41.4米,直径是39.3米,这样一个巨大的水池子,就相当于比我们这个楼还要大,它在里面放了一万三千个左右的光电倍增管,每个光电倍增管直径约半米左右,然后探测。 比如μ子从探测器里面经过的时候,因为μ子在水中的速度高于光在水中的速度,这时候它会产生契仑柯夫光,光还有一个特定方向,可以用来表征粒子的运动方向,可以区分出来μ中微子是天上来的,还是穿越地球整个厚度过来的。2015年获得诺贝尔奖的梶田隆章,他当时主导了合作组里面一百多人里面的数据分析,实验做完了得有数据分析,他完成了当时主要的数据分析,1998年的数据结果发布,发现了从天上来的μ中微子比地底下穿越过来的μ中微子多,多或者少我们可以和理论计算比较,可以做模型做计算,从地面上过来大概是理论模型的60%,穿越过地球过来的的大概是50%,比预想的要少,这个直接证明了μ中微子振荡:你看到的数目是随距离有区别的,这个区别的合理解释就是中微子必须有质量,因为这个原因他得了2015年的诺贝尔奖。

李玉峰:俗话说种瓜得瓜种豆得豆,其实在我们科学研究中不一定是这样的。20世纪80年代初建造神岗实验的时候,最初的目的其实不是来测大气中微子的,而是用来测量质子衰变。现在我们知道质子的寿命大于10的33次方年。但是大统一理论预测质子是不稳定的,神岗实验以及当时另一个美国的实验都是想测量质子衰变的信号,而大气中微子是需要排除假信号。但是这些实验都没有发现这个质子衰变的信号,反而看到了大气中微子的一些奇特的信号,就是大气中微子反常。神岗实验和美国的实验在1987年意外地发现了超新星爆发的中微子信号,神岗实验发现了11个中微子,美国实验发现了9个中微子,小柴昌俊由于超新星中微子的观测在2002年获得诺贝尔奖。所以说这些实验是种瓜得豆,种豆得瓜。

张力巍:那太阳中微子跟大气中微子振荡有什么区别,这个实验怎么做的?

李玉峰:太阳中微子实验本身更早了,中微子振荡最早也是在太阳中微子研究中显现出来的。美国科学家戴维斯从40年代到50年代一直想测量中微子,他使用四氯乙烯的化学材料制作了一个很大的罐子去测量,一开始他想测量反应堆中微子,但一直测很多年都没有测到。1956年柯万和莱因斯的实验测到了反应堆中微子,之后戴维斯不再测量反应堆中微子,而是把探测器放在美国Homestake的废弃矿井去测量太阳中微子,在1968年戴维斯第一次发现了太阳中微子。测到太阳中微子的同时,他发现测量和理论预测不一致。因为戴维斯的朋友巴考可以准确预测这个太阳中微子每天有多少信号,大约每天应该看到1.5个信号。但是他的实验两个月平均下来每天只有0.5个,就是说中微子消失了,有30%的中微子有信号,另外70%没有了。这个实验一直运行了20多年,一直到1995年,中微子一直是消失的。戴维斯的实验问了一个非常重要的问题,就是太阳中微子是不是丢失了,如果丢失了到底去哪了?这个问题一直持续了二三十年。后来日本、美国、前苏联的实验也进行了太阳中微子的测量,最后测量的结果跟戴维斯的结果一样的,也都发现了太阳中微子消失,这个问题一直持续到20世纪初,最终加拿大的SNO实验最后把这个事情解决了。

何苗:这次获奖实际上是加拿大的SNO观测站和他们领导人阿瑟·麦克唐纳一起获奖的。这个实验跟过去实验类似,采用水作为探测单元,探测太阳中微子,它利用的是重水,重水有一个特点,它不仅能够测量太阳内部直接产生的中微子,它同时还能测量太阳中微子发生振荡以后变成其他种类的中微子。他们发现太阳内部产生的中微子确实丢失了,丢失的数目跟之前的实验差不多,但是三种中微子之和并没有丢失,直接证明了太阳中微子并没有消失,而是通过其他振荡变成了其他的中微子。

张力巍:中微子研究获得过很多次诺贝尔奖。

何苗:中微子一共获得了四次诺贝尔奖,应该是有八位科学家,其中第一次是1956年的时候,莱因斯和柯万首次观测到中微子,后来莱因斯在1995年获得了诺贝尔物理奖,但是柯万很不幸的在1974年已经去世了,他没有活着等到获奖的那一天。所以大家将来想要获得诺贝尔奖,不光要做出很好的工作,同时也要锻炼身体活得足够长。第二次获奖是在1962年,美国的布鲁克海文实验室有三位科学家一起,他们领导一个团队通过加速器产生中微子,通过探测他发现中微子的类型跟反应堆的中微子类型不一样的,他们证明了中微子有多个种类的,所以这个发现后来获得了诺贝尔物理学奖。

李玉峰:第三次获奖是美国物理学家戴维斯和日本科学家小柴昌俊。戴维斯1968年的时候第一次发现太阳中微子,并发现太阳中微子丢失问题。小柴昌俊1987年发现了超新星爆发的中微子。戴维斯和小柴昌俊他们两个在2002年由于天体中微子的观测获得了诺贝尔奖。第四次就是今年日本的物理学家梶田隆章和加拿大的科学家阿瑟·麦克唐纳,由于超级神岗实验的大气中微子振荡和太阳中微子振荡的最终确认获得了诺贝尔奖,日本科学家的传承是非常好的。

张力巍:刚才两位专家也说了我们可能二三十岁的科研成果要到五六十岁才能得奖了。一般诺贝尔奖比较晚,关注诺贝尔奖同时我们看到有许多其他的奖项,今年的突破基础物理奖,中微子振荡也得了,这个奖给的是大亚湾,这个能给大家介绍一下吗?

何苗:好的,实际上今年基础物理突破奖也是一个非常重要的奖,这个奖跟诺贝尔奖有所区别,它通常奖励给一些比较新的发现,大家如果做出了成绩不用等太长时间就可以争取基础物理奖,同时基础物理突破奖只是发给对于基础物理有重要贡献的人或者是实验,因为基础物理代表了我们人对生活在这个宇宙的基本认识,这个奖非常重要的。另外一方面这个奖由国际上几位富商、由俄罗斯的为首建立起来的,每年大概有两千两百万美元,比诺贝尔奖高了2.5倍。其中富商里面也有中国马云(微博)夫妇,大家在上淘宝买东西的时候实际上也是给这个奖做了贡献的。今年这个奖,奖励给五个团队,7位领导人,以及五个团队加起来总共是1270个科研人员,其中有两个获奖团队正好是今年诺贝尔奖物理奖的得主,除此之外还有另外三个。

李玉峰:今年诺贝尔奖给了大气和太阳中微子振荡实验。实际上在2002年之后有另外两种实验,包括加速器和反应堆中微子实验分别验证了大气和太阳中微子振荡。通过日本KEK加速器产生的中微子,传播大概250公里之后达到神岗探测器进行测量,这就是所谓的K2K实验。K2K实验验证了超级神冈实验的大气中微子振荡是正确的。另外一个实验是日本的KamLAND实验,它利用了神岗原来的矿井,使用跟大亚湾和江门一样的液闪探测器,第一次观测到了日本和韩国周边平均距离大概在180公里的反应堆中微子,通过反应堆中微子探测第一次验证了太阳中微子振荡机制是对的。这两个实验进一步验证了太阳中微子的振荡和大气中微子振荡两个振荡模式。

王志民:大亚湾获奖,其实大亚湾实验是整个中微子实验里面到现在为止相对较晚的一个,但也是最重要之一,直接测量参数是中微子振荡矩阵中的参数之一。大亚湾测量的参数是三种中微子当中的两种,有可能最轻的中微子和最重中微子,表征这两个中微子之间相互转化的一个参数,有这个参数我们才知道了这两种中微子相互转化的几率是多少,振荡的距离,振荡的幅度,大亚湾中微子实验成员250多个人,历经10年多的时间,我们2012年的时候发布的这个角度的第一个测量结果,2015年拿到这个奖。

张力巍:大亚湾不是核电站吗?为什么有这个中微子测量?

王志民:大亚湾实验其实就是直接借用反应堆产生的中微子,反应堆本身核裂变是很强的中微子源,我们把探测器放在反应堆周边距离不太远,大亚湾分别是距离反应堆是300米和1500米左右,这个距离这个能区上反应堆的中微子流强远远超过太阳的流强,我们可以作为一个源进行相对测量反应堆中微子的振荡过程。

张力巍:相当于我们在光源旁边测光。

王志民:对。类似的。

张力巍:那大亚湾能得诺贝尔奖吗?

何苗:这个问题比较难回答的,因为每个人都有不同的看法,今年获得诺贝尔奖的两个实验,他们分别测到了一种中微子的振荡模式,而大亚湾测了第三种振荡模式,目前已知的只有三种模式,所以从这个角度来讲大亚湾实验成果应该说略逊于今年获奖的两个实验,但是差距并不是太大,我觉得获奖可能性是有的,可能需要比较长的时间。

李玉峰:诺贝尔奖只能给三个人,也许未来轮到中微子的时候大亚湾还有机会。KamLAND和大亚湾两个反应堆中微子实验也许可以一起获奖。另外未来我们的中微子实验有一些进一步突破的话也有可能获奖。

王志民:个人观点 ,对我们做粒子物理和基础物理的人来讲得诺贝尔奖是每一个人的情节,得了诺贝尔奖才会觉得对全世界的物理学家是一个继承或者有一个突破,有一个荣誉。大亚湾的结果来讲,至少是现在标准模型中中微子振荡最基本的参数之一,它就是标准模型中的一块砖,没有这块砖是不完美,有了这块砖系统才完整。从这个角度上说、从物理的发展历史上来看,我觉得这种重大的参数我们一定会得奖只是早晚的事,我觉得就如泡利在第一次发现中微子时电报里说的,任何事情都是要有耐心,我觉得只要有耐心一定会有的,特别是在中国第一次出来的这样重要的成果,在将来我觉得可能。

张力巍:国际上有其他的类似实验吗?

李玉峰::大亚湾实验国际竞争也是非常强的。当时国际上同类型的实验大概有8个,进入实验建设的有三个,除了大亚湾以外,还有韩国的RENO中微子实验,在韩国最大的反应堆旁边建的。还有法国的Double Chooz中微子实验,是Chooz实验升级版,两个实验都是把探测器放在距离反应堆一两公里处,对于第三种振荡模式进行测量。大亚湾2012年3月8号首次公布结果,而韩国的RENO实验是在2012年4月份公布结果,韩国的实验开始运行的时间比大亚湾早,但发表结果的时间比大亚湾要晚一个月。法国的实验一直缺少近点探测器,因为只有在近距离测量出反应堆发射的中微子数目后,我们才能通过两公里的探测器来探测有没有发生振荡。Chooz是私人的反应堆,近点探测器的进展缓慢,一直到2014年底才开始运行,这样Double Chooz就没有很强的竞争力。另外国际上还有两个加速器中微子实验也进行类似的测量。

王志民:而且大亚湾实验本身有天时地利人和,天时就是这个阶段,而且紧挨着大亚湾,大亚湾六个反应堆在当时世界上功率是最大之一,所以中微子流强也是最大之一。在大亚湾核反应堆的周围山体环境也是很适合我们建造地下实验室的。我们当时集中了全世界,或者我们国家粒子物理学比较优秀的一批人,国家和广东核电广东省都支持我们这个项目,在进度上很抓紧,不说提前,我们用很短的时间完成了这个工作。更进一步讲,当时我们从实验工程进度考虑,以及当时国际上出来的最新结果的一些迹象临时调整了实验方案,原设计的8个中微子探测器,当时只能建好6个,所以就把6个临时放在不同的实验厅开始测量,我们第一批的数据就是用6个探测器收集的数据,之后在2012年的夏天我们全部才安装到位8个中微子探测器。

张力巍:有竞争就会有合作,大亚湾的项目肯定有一些国际的合作,都有哪些国家部署立项了?

何苗:大亚湾是一个国际合作组,它应该说以中美合作为主的国际合作的一个项目。其中中国对这个实验的投入是1.7亿人民币,美国队这个实验投入也非常大的,美国能源部投入了三千万美元,美国机构算法跟咱们国内不一样的,三千万里面有很大一部分是人员费,比如人员的工资和出差的费用,直接投入实验上总共是八千万人民币,所以中国和美国投入大概是2比1的关系,美国对于大亚湾投入对于美国国内来说也是非常高的,仅次于美国在欧洲核子中心大型强子对撞机的投入,是美国第二大对海外的投入,可以看出来大亚湾是非常重要的。

张力巍:看来这个项目在国际上很重视,起码美国人很重视,如果得奖是未来的事情的话,工作还是要做的,接下来计划是什么?

何苗:接下来大亚湾还要继续提高中微子振荡的精度,精度越高我们未来做其他实验更容易一些。第二我们需要研究反应堆到底放射出来多少中微子,这个也是为未来的实验做准备的。

李玉峰:现在理论预测银河系内每一百年超新星才爆发两三次,而到现在银河系已经超过150年没有爆发超新星,所以大亚湾实验除了前面中微子振荡研究以外,后面很重要一个目标就是监测有没有超新星爆发产生的中微子,我们希望大亚湾实验至少运行到2020年,和江门中微子实验有一个直接的交接,这样如果银河系中有超新星爆发的话,我们就不会错过的。

张力巍:江门实验,据说比大亚湾的实验室多一百多倍,这个物理目标也是关于中微子。

李玉峰:江门中微子实验首先目标还是测量反应堆发出的中微子,但测量的参数不同,大亚湾实验是测量第三种中微子振荡模式,而江门实验是测量所谓的质量顺序。现在所有的中微子实验还不能告诉我们中微子最轻的质量态是第一个还是第三个,他们之间是到底哪个轻哪个重就是质量顺序问题,我们需要测量这个顺序,这个顺序对于未来其他很多的实验都非常重要。江门实验在这方面是非常独特的。

王志民:基于这个物理目标我们可以简单的估算出来我们要做一个世界上最大的一个实验,我们在地下岩石覆盖约 750米的地方挖一个山洞,再在山洞里建一个水池,水池直径大概是42米,深度也是42米左右,我们在里面建一个透明的有机玻璃容器,有机玻璃容器的直径是35.5米,里面大概有两万多立方米的体积,可以盛两万吨左右的液体闪烁体,建成以后将是世界上最大的液体闪烁体探测器,刚刚说的日本那个超级神冈比我们还要小一点。

何苗:大亚湾和江门两个实验都在中国广东省,直线距离是220公里,实际上早期江门实验的选址最早在大亚湾反应堆附近,称之为大亚湾二期实验,后来我们发现江门市附近正在兴建的核电站,总功率加起来比大亚湾还要大,并且他们位置分布合理,更加适合做科学研究,所以搬到现在的位置,在广东省江门市下面开平市金鸡镇,大家有兴趣去开平的话可以去看看。

李玉峰:电影《让子弹飞》拍摄就是在开平拍摄的。

张力巍:我自己去过江门市,你说750米的山洞建设到什么程度了?

王志民:我们江门中微子实验是2013年立项,然后加紧推进各项预研和建设,目前山洞正在挖,山洞有一个斜井一个竖井,斜井已挖了大约二分之一,竖井的话大概已经挖了三分之一,探测器预研方面,中微子探测器方案已经确定:对这么大的实验做什么样的探测器设计是很难做决定的一件事情。合作组在2014年7月北京合作组会上确定了要建一个机玻璃球这一个关键的技术路线,因为在中国做这个有机玻璃球有它的优势,另外一个也在于有良好的预研进展。你可以想象几十米的一个高度,我们现在有雾霾,你可能隔一百米看不清了,在液体隔一段距离更看不清了,液体透明性也是实验重要的考虑因素之一。我们预计建成在2020年左右,并开始运行。

张力巍:这里面又有一个竞争关系,我们2020年国际上没有其他类似的项目?

王志民:刚才说的韩国的RENO实验是跟我们大亚湾是竞争的关系,基本的方案不说整个复制我们大亚湾的方案,至少跟我们很类似,它的结果比我们晚出来,在我们提出江门的方案之后他们也提了一个类似的RENO50方案。我们做两万吨球形,他做1.8万吨的圆柱形。

李玉峰:除了韩国计划的实验,大气中微子也能测量中微子的质量顺序。国际上提出了好几个这方面的实验项目,印度计划用五万吨的金属铁作探测器。还有在南极,现在已经有一个叫冰立方的实验,它可以测量高能中微子,现在有一个计划是改造这个探测器使得它能量测量更广,叫做PINGU实验。地中海也有一个类似冰立方的观测高能中微子的探测器项目,通过对它的改造,跟PINGU实验类似也可以测量大气中微子,这三个实验都可以通过大气中微子测量确定中微子的质量顺序。此外,日本的超级神岗实验项目计划升级到一百万吨的水,名字叫做Hyper-K,我们国内很多人把它翻译成超超级神岗实验,这个实验也可以通过对大气中微子观测来测量中微子质量顺序。

何苗:刚才提到超超级神岗实验,不光测大气中微子,也可以测量加速器的中微子,日本本身有加速器也可以产生中微子,但是我们通过加速器中微子测中微子的顺序,要求中微子必须在地球里面穿越足够远的距离,日本因为国土面积比较小,他们不可能实验穿越这么长的距离,因此他们利用加速器中微子实验测质量顺序的灵敏度比较低。与此同时美国有两个实验,一个正在运行的NOvA,一个未来的DUNE实验,通过加速器产生中微子,把探测器摆在800公里或者1300公里之外的地方,这样得话让中微子在地球里面穿行大概一千多公里的距离,DUNE实验的灵敏度跟我们国家的江门中微子实验差不多的。

张力巍:中微子有什么用处,我们谈到哪怕最后确定了它的质量,它有什么作用?

李玉峰:我先说一下,说近期的一个应用,可能比较现实一点。我们知道大亚湾实验和江门实验都是要测量反应堆中微子。国际上要造一些核武器,它的一些核燃料需要通过反应堆运行获得。但是造核武器材料的运行和商业发电运行模式是不一样的,如果建设一个探测器放在反应堆附近,通过几个月的监测,通过观测反应堆发出的中微子的数目和能量分布,我们就可以判断这个反应堆到底在商业用途还是在生产核武器燃料,这是国际原子能机构正在做的事,他们想去监测朝鲜或伊朗核电站的运行情况。这是近期有可能作为国际反核扩散的应用。更远一点,如果以后探测中微子的能力可以提高,还可以用于监测核潜艇,核潜艇上有小型的反应堆,所以可以通过中微子来搜索核潜艇的位置。

何苗:我也举个例子,因为中微子有特性,它可以在宇宙中畅通无阻的运行,我们可以期望利用中微子实现通讯,这样它尽可能不受干扰,大家看过科幻小说《三体》,“三体星人”就是利用中微子跟地球通讯的,不过需要实现中微子通讯,我们可能需要建造这栋房子这么大的探测器,所以这个技术还需要发展。

王志民:江门实验物理目标之一是测量地球的中微子,刚才讲地球本身我们现在对它了解也不是很充分,地球半径有几千公里,但目前人能够接触到的仍很浅,内部结构仍需要研究,而中微子有很强的穿透能力,同时地球自己也可以发射中微子,通过测量地球中微子,我们反过来描绘地球是什么样子,让我们更多了解地球的构造。

张力巍:比如说原来用X拍照,也可以用中微子拍照。

王志民:形象表述就是地球的CT。另外,跟天文上联系多一点的是天体物理观测,我们平常观测恒星,光学手段多一些,你把波段扩展一点,X射线、伽马射线等都可以用来观测,但是这些都有一个传播范围,受天体环境影响很大,不能看得很远,但是中微子不一样,中微子基本上不受其他因素影响,我们将来建成很大中微子的望远镜可以看到更广的宇宙,我们对宇宙理解增加更多知识,这个也是很现实的应用。

与专家面对面现场实录:解读中微子

“与专家面对面”活动现场

张力巍:都很具体,其实中微子没有我们想的那么远,接下来时间交给大家,谁对这方面感兴趣,或者有相关问题,对我们物理研究大家都可以提问,感兴趣的同学大家可以举手。

提问:我想问一下关于中微子通讯方面的,就像我们电磁波通讯一样,这个可行性怎么样?

何苗:一般基础研究距离实际应用是比较远的,我们做基础研究很难立刻找到它的实用价值,要转换成为技术手段需要很漫长的时间。刚才这位同学提问中微子跟我们日常电磁波非常不一样,它可以在宇宙中传统无阻的穿行,它的穿行方式不是像电磁波一样,比如我们可以用中微子的脉冲结构实现编码,每一个脉冲可以控制到非常短,因此可以在很短时间之内传递足够的信息量。

张力巍:我这有一个问题,电影《2012》里面太阳中微子把地球核心加热这个事情,科学层面靠谱吗?

李玉峰:美国做科幻的导演跟科学家有很好的互动。这个效应定性上是存在的,但是他们夸大很多。现在通过科学家的了解,如果太阳内部产生的中微子传播到地球,穿越整个地球可能还没有一个中微子被地球吸收,这是非常小的概率。如果要产生《2012》灾难中中微子加热地球的情况,其实在中微子还没有传递到地球的时候它已经把整个太阳爆炸了。它的根源还是由于中微子可以发生的相互作用非常非常小,它可以畅通无阻地穿越太阳,也必然能够畅通无阻地穿越地球。

张力巍:关于中微子大家还有其他的问题吗,可能三位专家讲的很透彻了,这个领域离我们生活比较远,想不到其他的问题,我来替同学们问一个问题,同学们要不是搞科研,要么做其他工作,在可预见十年二十年中微子这个领域有哪些理论和实际的突破?

王志民:不知道大家了不了解,17世纪的时候牛顿三大定律出来以后,那时候大家认为整个物理体系完善了,我们不需要有更多物理了,到后面20世纪初的爱因斯坦相对论、量子力学出来以后,我们发现我们未知的世界还很广阔,而且基于每次基础物理突破以后都让整个人类生活发生了很大变化。到现在20世纪末到21世纪初我们基本上也认为我们对宇宙理解的差不多了,但是这个里面还有中微子就是已经突破了我们现在的模型,是仍然不理解的一部分,就像当时在20世纪初量子力学我们不理解类似,如果近五年近十年我们把这件事情理解清楚,将是很不容易的事情。这个过程当中我相信大家无论是想做基础物理研究投身到其它研究里面还是说发展应用,,当然对于我们来讲我希望有想法的同学做我们物理,这个需要有很多想法,这样才有很多新的发现。

何苗:在国际中微子这个领域里面,不仅是中国,像欧洲美国、日本这些国家在下一步都有很多中微子计划,意味着中微子研究还会继续的。我个人认为在未来二三十年时间中微子研究是粒子物理前沿热点内容,大家如果说对搞科研感兴趣,或者对中微子感兴趣,从现在开始学习到将来毕业的时候有很多机会可以亲自投入到中微子相关的物理实验和物理研究领域的。

王志民:我再补充一点现在大的基础物理研究项目都是国际性合作很强的项目,全球各个地方都会有交流,这个机会也很多。

李玉峰:未来除了中微子相关的研究以外,我们知道宇宙的可见物质只占5%,有27%是所谓的暗物质,现在暗物质的研究非常多,我们国家的清华大学和上海交通大学都有各自的实验研究。暗物质到底是什么?暗物质是什么粒子组成的?这是需要迫切回答的问题。另外还有68%的暗能量,我们知道哈勃望远镜发现宇宙是加速膨胀的,而推动这个加速膨胀的能量我们称为暗能量。暗物质和暗能量研究在国际上也是很热门的领域。

何苗:大家如果看过美剧《生活大爆炸》,他们里面曾经做过南极洲做一个实验,事实上刚才我们提到了现在南极洲有大型的中微子实验冰立方,大家有兴趣投入这个实验,可以去南极洲参观旅游的。

张力巍:其实任何一个领域里面都不是单一的,由复合人才包括几个工种来构成的,不仅搞理论,搞实验,装置设计技术开发,包括计算方面的,甚至比如说我在大亚湾旁边做什么实验,对于民众媒体都需要很多人才一起参与到其中。有哪些机构在做,相关联系比较紧密的,大家以后有研究生报考参与其中这个信息请专家给我们提供一下?

李玉峰:大亚湾实验国内也有很多单位参与。除了高能物理研究所以外,还包括清华大学、中国科技大学、山东大学、上海交通大学、中山大学、以及香港和台湾地区的大学。在国内,清华大学也有新的中微子项目,上海交通大学也计划进行无中微子双贝塔衰变的实验,这些都是和我们联系比较多的单位。

王志民:江门实验我们做35米直径的有机玻璃球,有机玻璃做一般应用是很多的,但是近似作为建筑的主体材料来讲是没有的,特别是这么大的,所以它的许多研究必须我们自己做,比如其中一些材料性能的研究等等,这些我们跟北航也有合作。另外还有我们还会用到很多电子学方面的技术,也是需要电子工程方面的人才。

何苗:事实上我觉得高能物理在中国起步比较晚,从上世纪80年代北京正负电子对撞机起步,而中微子研究是从2000年之后才开始做,从大亚湾实验开始,然后做江门实验,国内有超过20个单位。有很多高校的高能物理方向,或者中微子方向是从无到有刚刚建立起来的北航过去没有高能物理实验专业,前两年刚从国外引进人才,参加了北京正负电子对撞机和北京谱仪实验,我们也希望北航将来更多参加中微子实验。

张力巍:非常感谢三位专家给我们大家介绍了关于中微子相关的知识,我们今天活动就到这,谢谢大家,感谢各位专家。

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