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。
曹俊 · 中国科学院高能物理所研究员
格致论道第364期 | 2020年11月22日 北京
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。
中微粒子振荡的发现过程
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因为中微子很难探测，所以研究它的过程非常曲折而复杂，今天我向大家分享的就是在中微子振荡发现中发生的故事 。
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2020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。第一项就是照片上他抱着的50厘米大的光电倍增管，可以探测到单光子，是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。 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4亿个中微子。
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。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 和小柴昌俊一起 获得了2002年的诺贝尔奖。
他不光探测 到太阳中微子 ，而且还发现太阳 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。再加上这个实验非常困难，如果是这个实验做得不准怎么办？
他不服不停地做这个实验，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，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，借了价值3亿美元的1000吨重水。
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：太阳 发出的中微子总数其实没有减少， 但 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，超出了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。
第三种振荡存在吗
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三种中微子应该存在三种振荡， 我们已经发现了大气中微子和太阳中微子振荡， 所以还应该有一种振荡，我们把它叫做 用 θ 13 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，日本发表的成果中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。
中间这张 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。
我们这个实验大厅是2011年底刚建成的。 到2012年时，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，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，知道怎样提高中微子的探测效率后才能做这项实验。
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。
我们设计了8个探测器，近点2个，远点4个，有两个近点。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？
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，所以只能先把这个进行到一半的结果发表了。
我们当时就进行了很多讨论，如果继续按 照目前的节奏走，他们有可能会抢先发现中微子振荡。在经过反复的论证后，我们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。
只用了 55天 的数据，我们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，一直运行下来。
这是我们连接各个实验厅的隧道的照片。
这张照片是 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。
中微子振荡研究并未结束
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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%。其次在这里可以看到，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。而中微子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。 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，江门中微子实验的想法已经提出来了，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。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，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。 而 我们挑的这个地方离台山和阳江 两个核电站都是60公里 。
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，现在我们要建一个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。
我们还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，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。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。
我们还可以探测到以前的超新星死亡以后发出来的中微子，它们叫 超新 星的背景中微子， 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。
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。 这样 既有竞争，也有合作，互相弥补。
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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