誰偷走了核電站的中微子

　　在大亞灣核電站附近幾百米的深山里，潛伏著世界上最好的中微子探測器。它本是用來確認(rèn)中微子的第三種變身模式的，幾年前已經(jīng)完成任務(wù)。如今順手取得另一項(xiàng)引人矚目的成果——解釋核反應(yīng)堆為何產(chǎn)生那么少的中微子。

　　近日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的論文《大亞灣反應(yīng)堆中微子流強(qiáng)和能譜的演化》在《物理評論快報(bào)》上發(fā)表，同時(shí)配發(fā)法國科學(xué)家法羅的文章《弄清反中微子反?！?。最神秘的基本粒子中微子，又引起了人們的興趣。

　　反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子為啥不夠多？

　　實(shí)驗(yàn)探測到的反應(yīng)堆中微子數(shù)目總比理論模型預(yù)期的少，這就是近幾年物理學(xué)家困惑的“反應(yīng)堆中微子反常”現(xiàn)象。2011年發(fā)現(xiàn)，計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差了6%。

　　中科院高能物理所的曹俊研究員在博客中介紹說：大部分核反應(yīng)堆使用鈾235、鈾238、钚239和钚241，中微子來自它們裂變產(chǎn)物的后續(xù)衰變，大約帶走5%的能量?，F(xiàn)在主要采用的模型，是20世紀(jì)80年代實(shí)驗(yàn)測得幾種裂變材料釋放的電子能譜后推出的中微子能譜。這種模型不符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　之前物理學(xué)家傾向于所謂“惰性中微子”假說，即中微子變化成難以探查的形式。而大亞灣實(shí)驗(yàn)的新論文則給出了更簡單的解釋：我們對核燃料產(chǎn)生多少中微子的計(jì)算錯(cuò)了。

　　曹俊說：“反應(yīng)堆一般以恒定的功率發(fā)電。每次裂變時(shí)，這4種同位素釋放的能量都差不多，但釋放的中微子數(shù)目和能量則不一樣。因此，隨著核燃料成分的演化，反應(yīng)堆釋放的中微子數(shù)目和能量分布將會發(fā)生變化。”

　　科學(xué)家監(jiān)測了長時(shí)間周期內(nèi)，大亞灣反應(yīng)堆中4種同位素對能量的貢獻(xiàn)比例。曹俊說：“大亞灣實(shí)驗(yàn)4年的運(yùn)行積累了超過200萬個(gè)中微子事例。利用這些數(shù)據(jù)，可以比較不同核燃料成分時(shí)的中微子數(shù)目，從而推算各個(gè)同位素的中微子產(chǎn)額。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，核燃料中最主要的成分鈾235產(chǎn)生的中微子數(shù)目與模型預(yù)期不一致，主流模型的預(yù)期比實(shí)際觀測高了8%。而第二重要的成分钚239則與模型預(yù)期一致。”

　　曹俊說：“如果中微子反常是普通中微子振蕩到惰性中微子所致，那么不同燃料成分應(yīng)該具有相同比例的中微子缺失，因?yàn)橹形⒆诱袷幣c產(chǎn)生它的是鈾還是钚無關(guān)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看上去不符合這項(xiàng)假設(shè)。”據(jù)此大亞灣實(shí)驗(yàn)的新結(jié)果認(rèn)為，反應(yīng)堆中微子反常很可能是鈾235的中微子產(chǎn)額計(jì)算不正確，而不是有“惰性中微子”。

　　中微子的質(zhì)量怎么就測不出？

　　雖然“反應(yīng)堆中微子反常”現(xiàn)象似乎被破解了，但關(guān)于中微子仍有很多未解之謎。中微子是隱士，它很少跟別的粒子反應(yīng)。捕獲不易，所知甚少，就連它的質(zhì)量至今都還沒搞清楚。

　　起初很長一段時(shí)間，大家公認(rèn)的基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型里，中微子是沒有質(zhì)量的。但戴維斯檢測到太陽中微子，小柴昌俊發(fā)現(xiàn)超新星中微子時(shí)，都證明了中微子有質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)模型綻開一道裂口。

　　既然有質(zhì)量，那么中微子的質(zhì)量到底是多少？

　　中微子根據(jù)與外界作用方式不同，分3種味道——電子中微子、繆子中微子和陶子中微子。而中微子的質(zhì)量和味道不能同時(shí)測準(zhǔn)。

　　大亞灣實(shí)驗(yàn)測出了中微子的第三種振蕩。

　　振蕩的意思是中微子在奔跑時(shí)從一種味道變另一種味道，奔馳變寶馬，寶馬變奧迪，奧迪變奔馳。這意味著如果測“奔馳”中微子的質(zhì)量，能得到3種不同結(jié)果，按照概率隨機(jī)出現(xiàn)。

　　曹俊介紹，之前的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)研究只能測出中微子的質(zhì)量平方差，不能給出絕對質(zhì)量?，F(xiàn)有的直接測量以及宇宙學(xué)測量只能說明中微子的質(zhì)量不足電子質(zhì)量的百萬分之一。這些研究結(jié)果還不足以求得中微子的質(zhì)量。

　　中微子絕對質(zhì)量的測量，要通過中微子非振蕩物理研究來得出結(jié)論。曹俊介紹，這種研究可以通過精確測量衰變的電子能量端點(diǎn)，或者測量無中微子雙衰變（假如存在這類衰變的話），或者通過宇宙學(xué)測量。這樣可以得到中微子質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)系式，結(jié)合上述已知的條件，就能解出3種中微子的質(zhì)量。不過，無論哪種情況，要算出中微子的質(zhì)量，都必須先知道中微子的質(zhì)量順序。

　　但目前中微子的質(zhì)量順序也還是一個(gè)謎，科學(xué)家知道中微子的3種質(zhì)量狀態(tài)不同，但是卻并不知道哪個(gè)最重，哪個(gè)最輕。而我國正在建設(shè)中的江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置（JUNO）的目標(biāo)就是找到中微子質(zhì)量順序的更多證據(jù)，希望未來它能幫我們解開中微子質(zhì)量之謎。

　　中微子的反粒子就是它自己？

　　在科學(xué)家看來，中微子跟電子是近親，只是不帶電荷，這也讓它免受宇宙間各種電荷作用的羈絆。

　　已知物質(zhì)與反物質(zhì)的區(qū)別是電荷，比如電子帶一個(gè)負(fù)電荷，其反物質(zhì)帶一個(gè)正電荷，兩者相撞會湮滅并放光。中微子不帶電荷，那么中微子可能會是其自身的反粒子嗎？如果中微子并非自己的反粒子，那么物質(zhì)與反物質(zhì)的區(qū)別就不止是電荷，也許是一種未知的對稱性。

　　“無中微子雙β衰變”實(shí)驗(yàn)或許可以照亮迷霧。該實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是：兩個(gè)中子同時(shí)衰變?yōu)橘|(zhì)子，會產(chǎn)生兩個(gè)電子及兩個(gè)反中微子；如果中微子是其自身反粒子，產(chǎn)生的這兩個(gè)反中微子就可以發(fā)生湮滅，從而只有電子從衰變中產(chǎn)生出來。

　　一些建設(shè)中的實(shí)驗(yàn)將搜尋“無中微子雙β衰變”，例如加拿大SNO+實(shí)驗(yàn)、意大利的CUORE實(shí)驗(yàn)、美國位于廢物隔離試驗(yàn)廠的EXO-200實(shí)驗(yàn)、美國礦井中的MAJORANA實(shí)驗(yàn)等。

　　暗物質(zhì)候選人“惰性中微子”真存在？

　　在解釋“反應(yīng)堆中微子反常”現(xiàn)象時(shí)，科學(xué)家們猜想這種現(xiàn)象與“惰性中微子”有關(guān)。什么是惰性中微子？惰性中微子是否存在？

　　惰性中微子性情孤僻，不參加除引力之外的任何相互作用。天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，宇宙中有引力效應(yīng)卻看不著的暗物質(zhì)，或許就是中微子。但實(shí)驗(yàn)顯示，中微子質(zhì)量太微不足道了，不到電子質(zhì)量的百萬分之一，怕是擔(dān)綱不起暗物質(zhì)的量級。而假設(shè)中的惰性中微子足夠重，是暗物質(zhì)的“理想人選”。

　　超新星爆炸會射出大量中微子，如果惰性中微子存在，它的反作用力能夠推動超新星殘骸，而天文學(xué)家的確觀察到了超新星殘骸的加速；惰性中微子還可能衰變成X射線光子，有些天文臺發(fā)現(xiàn)的X射線就暗示存在比電子重100倍的惰性中微子。

　　但現(xiàn)有證據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。為此，科學(xué)家們還要研究短距離運(yùn)動的中微子。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們將利用3種探測器搜尋惰性中微子，包括短基線中微子探測器、MicroBooNE和ICARUS。意大利也將啟動SOX實(shí)驗(yàn)搜尋惰性中微子。（本報(bào)記者 高博）