【墨子沙龙】第八期 王贻芳院士中微子与我国粒子物理研究（中）

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中微子构成我们物质世界最基本单元的3/12，非常重要，非常基本。大家可能听说过，2012有一个电影，地球会被中微子毁灭，这个显然不是被大家没有听说过的东西，应该大家还是比较熟悉的，大家可能也听说过2011年欧洲核子中心发现中微子可以超光速，当然后来我们知道这个不对，是错的，是假的，我们知道2015年这两位得了诺贝尔奖，也是研究中微子的，另外我们大亚湾实验，也在国际上有一些影响。

中微子至少对很多人来说不是特别陌生，其实中微子存在于我们的周围，我们超新星或者我们的银河系、太阳、地球、反应堆，都是中微子源，都可以成为我们用来研究中微子的一个工具，当然我们有加速器也可以人工产生中微子，我们人体也是一个中微子源，我们人体每天大概会发出3亿4千万中微子，每个人既是中微子源，有可能会对你周围的人也可以用中微子影响它。

研究中微子跟很多学科领域都有关系，从天体、物理、宇宙学、地质、天文、粒子物理等等都有关系。

中微子是构成物质世界最基本的单元，同时中微子非常奇怪，只有左旋中微子，没有右旋的中微子。在座都是光学专家，光子有偏正，有左旋有右旋，质量如果为零，就一定存在左右旋两个偏正态，所以中微子也是一样，有左旋有右旋，但是非常奇怪，只有左旋中微子在世界上存在，不存在右旋中微子，所以中微子是不满足宇称守恒，所以在弱相互作用下是不守恒的。

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为什么是弱相互作用？因为中微子只参加弱相互作用，中微子不参加电磁相互作用，不参加强相互作用。所以不存在中微子这件事情，只对弱作用的宇称守恒有影响，所以只有这么一个很奇怪的性质，为什么没有这个右旋中微子，到现在我们也不知道，这也是要研究的问题。同时在宇宙当中有大量的中微子，密度差不多是每立方厘米300个，所以整个宇宙当中每立方厘米300个，所以数量跟光子数一样多，它的质量的大小，对宇宙的形成演化有巨大的作用，特别是对于形成宇宙当中大尺度的结构，现在我们均匀地去看，往远处看宇宙还是均匀的，你仔细看宇宙是有结构的，我们有银河系、太阳系、地球等等。

它是有结构的，这个结构怎么来的？在宇宙初始大爆炸的时候，有所谓的原始扰动（Fluctuation），实际上跟中微子的质量有密切关系，如果中微子没有质量的话，这个Fluctuation是不能形成的，也就是说如果中微子质量为零，按照我们现在了解，没有银河系，没有太阳系，也没有在座我们各位，中微子质量跟我们大家的存在有非常密切的关系，极其重要。

中微子的质量

那么在中微子研究当中核心问题就是质量，这里面有两个原因，一个就是在宇宙学当中。大尺度结构的形成跟中微子质量很有关系，大一点小一点宇宙就不是现在这个样子了，第二个在粒子物理当中，标准模型，我们到现在为止我们也不知道怎么把中微子写进去，到现在也不知道。

在1956年的时候，有一位意大利的物理学家Bruno Pontecorvo，他是费米的学生，但是信仰共产主义，1948年、1949年前后从西欧逃到苏联，在前苏联一直待到他1993年去世，但是他一直是非常重要、非常有名的物理学家，所以在1956年前苏联的杜布纳联合核子研究所，他就写了一篇文章，他说“中微子有可能有质量”。

中微子如果有质量，质量本征态和弱作用本征态如果不一样，你们在座大部分人都是做量子态的，纠缠态的，所以本征态应该对你们不是一个很奇怪的概念。所以质量本征态和弱作用本征态如果不一致，中微子就会发生震荡，也就是说在飞行当中，一种中微子会变成另外一种中微子，简单解释说：我产生的时候是电子中微子，但是这个电子中微子是三种质量本征态叠加，所以在飞行的过程当中，它的三种态的叠加的比例会发生变化，这个变化就会使它变成另外一种中微子，比如说μ中微子，μ中微子往前走还会变回来，变成电子中微子。所以从量子力学的角度来看，相对来说还很容易理解，就是两个态的叠加，或者说是量子力学在宏观上的一个体现，一个表现。

中微子振荡

数学上把它震荡几率写出来就是两个Sin函数的相乘，一个是Sin平方2倍的θ，一个是Sine平方里面有一个Delta（M）平方，有一个飞行距离，有一个能量。所以你可以看到，如果质量为零，这一项就为零，这个震荡距离月份为零，永远不存在。所以这就是为什么中微子震荡很重要的原因。

我只要知道了中微子有震荡，最起码我知道中微子质量不为零。因为在目前我们所有的实验手段去看中微子质量的话，我们完全没有办法看到，它到底有没有质量，因为它的质量太小了，我们实际上实验的精度要求太高，这是间接测量，量子力学的态在宏观上体现，它这个质量是间接的测量，我们可以知道它的质量不为零，然后它前面还有一个所谓的系数，实际上是振幅，那也就是说从电子到μ子，到底有多少变过去了，这个是震荡频率，变过去有多快？如果两种中微子写出来就是图上的公式，三种中微子大概也一样，可以很容易写出来。

所以中微子震荡从50年代提出，其实大家就一直没有把它放在心里，第一是和标准模型不符，标准模型没有质量，为什么要写出来，没有必要找麻烦。第二，是做实验非常难，所以大家没把它放在心理，但是实际上过程当中有很多实验证据的，第一个实验证据，70年代有两位重要的物理学家，（Ray Davis, John N. Bahcall）这两个人说太阳为什么会发出这么多能量出来，我要搞清楚太阳的发光过程，在这之前说太阳通过聚变产生的能量，他们说我要证明这个东西怎么办呢？

相关实验

我可以去测量中微子，聚变当中一定会发生中微子，把中微子测出来了，我可以发出太阳聚变的模型，他写出两篇文章，64年以后筹备做实验，70年代末开始，实验一共做20多年，得到两千多个中微子，这两千多个中微子给出的数据，就是理论和模型比较只有1/3，我看到的中微子，和我预期中微子相比差了3倍，大家说太阳模型错了，太阳离得那么远，你怎么知道聚变的公式写出来是对的，大家都认为太阳模型不对，这是从70年代开始的。

80年代的时候，有两个实验，一个是日本的叫Kamiokande实验，现在叫神冈实验，还有一个美国的IMB（Irvine–Michigan–Brookhaven）实验，这两个实验当时要做所谓的质子衰变，因为在80年代的时候有一个理论，就是大统一理论，把电磁弱和强相互作用统一起来了，这个统一理论有一个最重要的预言，质子寿命很短，大概在10的31次方和32次方一年，这个是可以测的，这个数值，所以他们就做了一个几千吨的水探测器，水里面有大量的质子，通过这个我来测一侧，这个质子是不是真的衰变。当然这个是很重要的事情，质子如果衰变，对我们整个宇宙有巨大的影响。

这两个实验做出来，比例不对，理论跟实验比较，只有2/3，少了1/3，大概60%左右，之后有两个其他的实验，说你这个测错了，我这是对的，我这个是1：1，理论和实验一样的，大家搞了十几二十年以后还是糊涂帐，大家认为中微子震荡这个事情还是不靠谱，当然我们现在知道这个是靠谱的，所以这两位2002年得了诺贝尔奖，这位瑞·戴维斯（Ray Davis），跟他合作的理论物理学家约翰·帕克尔（John N. Bahcall）很可惜在这之前去世了，否则的话他应该有希望能够得这个诺贝尔奖。

这个刚才说了两个实验，一个是日本的Kamiokande，一个是美国的IMB，但是只有日本的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）他得了诺贝尔奖。你看他手上抱了两个20寸的光电倍增管。美国那个实验也看到了超新星中微子，1987年有超新星爆发，这两个实验，神冈和美国的实验都看到了超新星中微子，但是诺贝尔奖只给了神冈实验，没有给IMB实验。为什么？

因为我下面会讲，他这个实验后来又有了所谓后续叫做超级神冈，超级神冈发现了中微子的震荡，因为发现中微子震荡，我们回过头来知道，大气中微子反常和太阳中微子消失，都是中微子震荡造成的，所以这两位得了诺贝尔奖，没有用中微子震荡的名义，但是用了宇宙中微子，一个太阳中微子，一个超新星中微子，但是因为在2002年的时候，大家还略微一点点疑问说，我是不是可以用非常特殊的太阳模型，非常特殊的大气模型，来解释看到的所谓中微子震荡的这个现象。有一点点的不确定性，当然现在我们知道不确定没有了，确实我们看到了中微子震荡。

在1998年的时候，日本从神冈实验，就是Kamiokande实验，已经发展成超级神冈实验，在1996年开始运行，到1998年的时候，它确切无疑地发现中微子有震荡，这个探测器从早年的3千吨的水，到了5万吨的水。

我刚才忘了说一件事，日本的超级神冈实验，跟美国IMB实验的最大的差别在于这个20寸的光电倍增管，因为日本的实验比美国的实验晚一年，探测器比它小一倍以上，但是日本人说我怎么才能超过美国，所以唯一的办法是提高我的光探测的灵敏度，所以你用5寸的管子，我用20寸的，5除20再平方的话，一下子16倍出来了，所以它光的灵敏度比IMB高很多，所以看到的超新星中微子数量也远超过IMB的，它对中微子振荡其他方面测量灵敏度也比它高很多，所以最终它的实验结果应该说比IMB要好得多，虽然它比它晚了一年左右。

日本人做完了Kamiokande以后他觉得有意思，所以我还得做。他做了超级神冈，从3千吨长到5万吨，差不多将近20倍左右的探测器大小，还是水。它的探测器相对来说非常简单，就是把水灌进去，把20寸的光电倍增管给铺上，20寸光电管差不多1万多个，大家可以看到人坐着小船，安装很简单，不用搭架子，他只要装水就好了，水上去做个小舢板装上，如果你要下来，把水放掉你还是可以下来的，技术上相对简单，也很成功。

他们就是看到从地球下面来的大气中微子，在飞行的过程当中变少了，从天顶上来的中微子不变，他看到μ子中微子地下来的减少，电子中微子不变，所以这是一个随距离变化，随能量变化，随中微子种类变化，预期到的中微子振荡的现象，跟我们预期完全符合，所以这个实验我们知道2015年又得了诺贝尔奖，这个从Kamiokande到SuperKamiokande连得了两个诺贝尔奖，诺贝尔奖给了这一位（梶田隆章），这一位（户冢洋二）是整个实验的负责人，SuperKamiokande发言人是他，但是非常可惜他2008年去世了，所以诺贝尔奖没有给他，如果在的话一定给他。梶田隆章只是当时的博士后做了数据分析。

中微子振荡探测方法

2002年中微子振荡是通过太阳中微子实验得到证实，太阳中微子实验起始很早，在1985年的时候中国裔的华裔科学家，叫陈华森（Herb Chen）他提出了一个设想，他说你看到的太阳中微子变少了，少了2/3，到哪里去了呢？他说如果中微子振荡的话，Vμ跟Vτ，你可以用重水来探测它，所以你看到的电子中微子跟重水当中氘发生反应，Vμ跟Vτ也可以跟氘发生反应，所以把重水放进去以后，不同中微子发生不同的反应，我这个是三个方程，这三个方程我解三个参数，Ve、Vμ跟Vτ的通量可以测出来，这是一个极其巧妙的办法，我用一个探测器，我把三种不同的中微子通量都把它测出来，以前都只能测一种，剩下的不知道，不知道，可能是振荡了，但是没有直接测出来。所以他提出用重水的方案，非常巧妙，可以把三种中微子直接测出来。

但是非常可惜陈华森1987年由于白血病去世了，如果他在的话，2015年诺贝尔奖应该是他的，因为这个实验是他提出的方案，他也是实验的负责人，一直到他去世，去世以后，是这一位(Arthur McDonald)负责实验，最后他得了诺贝尔奖，在2002年的时候，他们得到了第一次结果，从这个图上可以看到，我们看到最终的解，实验点在这个位置，这个位置告诉你，有2/3左右的μ跟τ的中微子通量，1/3左右电子中微子通量，这个全部加起来正好是1，跟你理论上预言的中微子总数是完全符合的，这个是实验上直接的证明，我们看到的太阳中微子，真的发生了振荡，而且变成μ跟τ中微子我也看见了，这是中微子震荡的一个确认，这也是为什么他和梶田隆章（Takaaki Kajita）都得了去年的诺贝尔奖。

我们知道中微子有太阳中微子振荡和大气中微子振荡，这两个都对了，都测出来了，我们把三种中微子用公式写出来，发现还有一个震荡，叫做θ13，2002年的时候，我们知道θ12，知道θ23，不知道θ13，我们要把这个参数给找出来，它是一个最基本的物理过程，也是一个重要的物理参数，理论上对这个参数大小的语言，从0到接近于1，什么都有的，大家看预言的话，大部分集中在这儿，这个位置大概在0.01到0.1之间。我们当时说这是中微子研究下面一个最重要的问题，需要把它解决。

这个实验有不同的方法，可以用加速器，也可以用反应堆，我们当时提出来用反应堆实验做这个事情，来看一看θ13到底是不是为零，如果不为零到底是多少。这个大小对中微子未来发展非常重要，如果θ13真的等于零的话，下一代中微子实验，比如说你要想做CP破坏，做质量差，那都做不了，后面的这些参数，跟θ13在数学公式里是相乘的关系，如果乘出来有一个为零，它永远为零，永远测不出来，值的大小，跟中微子本身未来发展都有非常重要的意义。

要做的办法，比较预言和测量之间的一个差，我们提出来这样的方案做这个实验，这里的难处，过去实验精度3%到6%，我们实验目标到0.6%，差了差不多10倍，这是一个难点。

我们自己的方案

我们当时的设计跟国际上的比较可以看到还是大亚湾的精度最高，一个是韩国的实验，一个是法国的实验，这是起始的实验点，可以看到我们当时面临竞争，虽然精度最高，但是有可能落在别人后面，因为他们起始比我们快，最终我们知道θ13的参数在这儿，所以实际上无论Double  Chooz还是Reno都有可能在我们前面发现，因为这个值非常大。所以最终的成功应该说，一方面是项目实施在设计、造价技术方面做得还可以，另外一方面我们还是有运气，因为这个实验最终做得好不好，一方面在自己，一方面也在别人。别人做得不是特别好的话，你就占了一点便宜。

因为当年在国内第一次做这样的大型实验，还是有很多担心在里面。这个实验也是大型国际合作组，有中美两国差不多200多个科学家参加，国内也有很多单位支持，也是我们两国在基础科学院研究当中，最大的一个合作项目。我们是2003年提出实验方案，06年才获得批准，07年开始正式破土动工，一直到2011年基本完成建设，2011年底开始运行取数。

给大家看一些照片。我们建了一个三公里长的地下实验隧道，有三个实验大厅，这些都是在靠近核电站的地方，通过爆破完成了建设，这当中受很多很多安全的限制，核电站旁边爆破振动的话，对核电站的安全运行有重大影响的。这是一些探测器建设过程当中的一些照片，这是5米直径的钢管，里面装上有机玻璃反射板和有机玻璃的罐子，然后再装上反射板，装光电倍增管，然后一直往下的话，最后一直盖上封好放到水里。整个探测器安装，有建水池，有装光电倍增管，然后装上罐装水，把探测器放进去，盖上盖子，顶上有一个探测器。

这里面有大量的技术难题要解决，包括机械、真空、化学化工、极低本底、土建等等，举一个例子，这样一个实验，这么大规模如果有一克的灰尘落进去，那这个实验彻底失败了，所以绝对要保证这里面灰尘不能超标。另外三个实验大厅相互距离差不多有2公里，我们要保证全年温差不能超过1度，这个技术实验非常困难。还有你设计的时候要真的想到这个事情，要提这个要求，有时候你没有想到提这个要求，那实验很可能失败，实验设计过程当中非常重要，作为高能物理实验，整个过程首先你要有一个科学目标，然后你要设计你的探测器，然后你自己要把探测器建起来，买过来不可能，然后制造出来，获取数据、得到结果，整个过程都得自己完成，这是高能物理实验和其他一些实验可能不太一样的地方。

在2012年我们看到了反应堆出来的电子反中微子有消失的现象，看到的中微子数，只有我们预期中微子数的94%，也就是说少了6%的中微子，所以它的能谱不是均匀分布的，它有这样一个结构，这个结构有一个deep在这儿，正好是我们能谱最大的地方，这正好是我们设计成这样，这样灵敏度最高。我们看到五个标准偏差的统计显著性，θ13是不会为零的，这是第一次测出来θ13的这个参数不为零，同时值在0.092的这个位置。

这个实验现在还在继续，从最早的20%的精度到现在已经提高了差不多4%，我们实际上跟日本现在的实验T2K结合，首次给出了另外一个未知的中微子参数的估计，很可能是负90度，从这张图上看的话，这个是T2K实验的结果，所以这个实验结果跟我们实验结果相交唯一的点就在这个地方，这个点正好是负90度，或者负1/2π。所以这是第一次知道中微子另外一个振荡参数CP破坏，是有可能在负90度。看到这个精度，大亚湾的实验和我们竞争对手韩国Reno实验及法国实验精度比较，可以看到有巨大的差别，或者质的差别在这儿。

下一步我们要做的是江门中微子实验，在广东的江门，下面有两个核电站，台山和阳江。为什么要做这样一个实验呢？这个实验距离53公里刚好在震荡的θ第一个就是中微子的质量顺序，到现在为止，我们知道中微子的质量，有三种中微子123，它的质量顺序有可能是321，从大往小，也可能是213，我们不知道哪个是对的，从实验上来说我们要证据，这是中微子理论研究上面非常重要的问题，同时也可以测量中微子振荡参数。我们目前的精度大概在3%到10%之间，江门中微子实验可以做到小于1%，这个量级的提高对寻找超出中微子的新物理有非常重要的意义。

同时研究超新星，刚才说Kamiokande和IMB，他们在1987A的时候，看到了20个超新星中微子，如果在江门中微子30年的寿命期限当中，有一次中微子爆发，距离跟1987A是一样的话，可以看到2千个中微子甚至到5千个，这是巨大的差别，而且看到中微子的性质，应该说能力比水探测器还要好，因为我们可以区分不同的中微子，他那个只能看一种中微子，所以这个是在超新星中微子方面会有重大的成果，如果正好被我们碰上的话。当然我们也可以研究地球发出中微子，太阳中微子等等。

这个探测器从技术上来说跟大亚湾中微子不一样，大亚湾中微子， 5米直径差不多也就100吨，现在我们做的探测器，因为距离远，我们是50多公里，探测器比以前世界上最大的探测器Kamland大了差不多20倍，它是1000吨，我们是2万吨的。性能，我们的光产额最少大了5倍，比这个大了2倍，所以性能要好，质量又大，这里面有巨大的一个技术挑战。所以看到这个示意图，这个点大家可能看不清楚，这是一个人的大小。这个探测器直径43.5米，高44.5米，一个水池，这里有非常多的技术挑战在里面，从来没有过的，至少国际上没有的，一个是国内最大的地下洞，也有可能是国际上的，我们也没有搞清楚，可能是国内最大的。

世界上最大的有机玻璃球，直径35.4米，所以是10厘米厚左右的有机玻璃，做成一个球，差不多13层楼高，大家可以想象一下有机玻璃球巨大的困难。同时做2万吨的液体闪烁体，在这之前，国际上做的最好的也是大亚湾，它的透明度差不多是15米，我们现在提高到25米，要提高1倍，再一个我们要做2万个20英寸的光电倍增管，光电倍增管是中微子实验当中最核心的一个部分。刚才说日本的Kamiokande最后能超过IMB，就是因为它做出了自己20寸的光电倍增管，这个光电倍增管价格非常贵，差不多得3、5千美元一个，如果我们没有能力自己做的话，这个实验最终也是不能实现，因为价格完全不受控制。我们需要解决这个问题，同时探测效率也是世界上最高的，比超级神冈、日本IMB做出来差不多好一倍左右。这是我们2008年在实验设计方面提出的要求。

到目前为止，通过预言我们大部分都实现了，所以可以开展真正工程工作，比如说从2008年起，我们看到国际上的光电倍增管最高的探测效率25%×60%，差不多15%左右，不能达到要求，我们现在自己提出新的色设计，目标是40%，经过5到8年的努力，我们跟北方夜视等等组成产学研合作组，最后成功做出来了30%，跟我们目标略差一点，同时日本滨松也在进步，他们现在做到27%，比我们还差10%左右，相对10%。所以在去年通过招标的，在价格、指标、风险等等各种因素平衡下，我们把合同15000支给了北方夜视，5000支给了日本滨松，这个实验最终把最关键的设备，光电倍增管控制在自己的手里，通过这个实现了国产化。

未来的计划

时间计划我们是希望能够在2020年左右开始运行，所以地下实验大厅建一个600米深的竖井，1300米深的斜井，然后挖一个地下大厅，工程是非常复杂的事情，目前为止，竖井挖了480多米，斜井挖了1020米，很快会挖到底开始大厅的建设。江门中微子实验国际合作组有27个欧洲的单位参加，美洲有一些，亚洲也有很多，包括泰国等，台湾也参加。国际贡献差不多10%到20%左右的经费贡献。

实际上我们还在考虑，江门实验更远的未来，2020年完成运行以后，它的寿命应该有30年左右对超新星，但其实在这个中间，我们还可以做另外一件事情，中微子的双beta衰变，这个探测器当中可以冲一个50吨探测器的气球，10米直径。这个探测器在2030年做的时候，可以做双beta衰变的实验，那么它的好处就是本底非常低，灵敏度可以非常高，从表上可以看到，所有的都是目前没有实现，国际上正在计划的下一步的实验，可以看到至少从计划上来看，我们的目标比他们要好得多，我们是国际上灵敏度最高的一个实验。

从这里可以看到，粒子物理实验的一个关键就是要有好的科学目标，要有长远的规划，还有非常关键的就是有一个Consistent的技术发展路线，就是说你的发展路线是一直这么下来的。你看日本从Kamiokande，SuperKamiokande，HyperkKamiokande，都是水下探测器，同一条技术路线。我们这里走大亚湾和江门甚至到未来也是走一条液体闪烁体，这条技术路线从2003年开始我们一直可以走到203几年甚至2050年，这是几十年的一个技术发展路线，使得我们高能物理实验能够一直往前走，而且维持竞争优势。

 当然，历史上有规划不正确失去了发展路线，然后失去了发展前景。比如刚才说美国人最早做了IMB但是没有继续往下走，然后他又有一个跟日本Hyperk一样的方案叫Reno，也没有往下走，所以使得它最终中微子发展非常困难。这也是一些例子有成功和失败，如果没有做好，风险也非常大。

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