【基础科研】大亚湾实验的新结果

我在前文《回答王贻芳所长》中，曾提到高能所在大亚湾进行的Neutrino（中微子）实验是当今高能物理少数几个正确的投资方向之一。2017年四月4日，大亚湾的研究团队发表了一篇论文（参见https://arxiv.org/abs/1704.01082），详列了他们对过去三年多实验数据的分析结果，我在这里做个简单的介绍。

大亚湾中微子实验，三号反应室的外观，可与上方的工作人员做大小对比。

首先讨论一下Neutrino在标准模型（Standard Model）里面所占的地位。标准模型里有三大类粒子：构成物质的Fermion（费米子）、传播作用力场的Gauge Boson（规范波色子）和给予物质质量的Higgs（希格斯粒子）。Fermion是原子的组成成分，又依是否参加强作用力分为两类：Quark（夸克）和Lepton（轻子），前者是如中子和质子这些Hadron（强子）的组成成分，它们形成原子核；后者则包括电子和类似电子但比较重的Muon和Tauon，中微子则像是电子的跟班，但是不参加原子的组成。Muon和Tauon也有它们自己的中微子。

标准模型的这些Fermion有一个很奇怪的规则：它们形成三个世代（英文是Generation或者Family），世代与世代之间性质（亦即相对三大作用力的电荷）完全相同，只有质量（也就是相对于重力的“电荷”）不同。例如电子、Muon和Tauon，三者的电磁力电荷都是-1、强作用电荷都是0，参加弱作用力的方式也完全一样。为什么会有这样的规律性，是标准模型的未解秘密之一；即使是已经强加了几百个自由度的超对称理论，也只是无脑地复制这个规律，不能把它融入一个大架构里。

我们的宇宙主要由质子、中子和电子组成，它们都属于质量最轻的第一世代。当这些第一世代的物质进行核子反应（包括beta衰变、裂变和聚变）的时候，它们附带產生的，主要也是第一世代的电子中微子。太阳是个巨大的聚变反应炉，也是地球附近最大的中微子生產来源，这些来自太阳的叫做Solar Neutrino。

中微子在核物理滥觞的1930年代就被理论学家Pauli预言存在并且命名（Neutrino是意大利文里“中性的小东西”的意思，所以中译“中微子”或“微中子”都很贴切，我觉得前者更好些）。当时的核反应实验发现常常有一些动量和能量在反应的过程中“消失”了。既然动量和能量守恒是近代物理的基础之一，那么Pauli就假设有一个未知而且很难捕获的粒子从实验中脱逃，计算结果是那些消失的动量和能量刚好对应到一个质量为零或很小的费米子，所以中微子的存在很快被物理界接受。可是因为中微子对强作用力和电磁力的电荷都是零，只参加弱作用力，所以很少与物质反应，也就很难侦测到。1942年，中国核物理学家王淦昌在重庆提出了一个详细的实验设计，不过因为必须用很多放射性稳定的元素（最早用氯）在很嘈杂的背景下侦测到少数几个反应，一直到现代电子技术有所进步的1956年，才由美国的一个团队把实验做出来，证实了中微子的存在，实验者也得到了1995年的Nobel Prize。王淦昌当时还在世，没有一起得奖只能説是瑞典人的偏见。

要测量Solar Neutrino必须对它们定向，来自太阳方向才能算。这当然比侦测到随便任何一个中微子又难上一级，所以到1960年代后半，实验才完成。结果出人意料，侦测到的数量比理论预测少了三倍，这个发现被称为Solar Neutrino Problem。正确的解决方案在1968年，由费米的原助手Bruno　Pontecorvo（因为被FBI指控为共產同路人，在1950年逃离美国而投奔苏联）提出，叫做Neutrino Oscillation。简单来説，中微子会自发地从一个世代变成另一个世代，虽然太阳產生的中微子都是第一世代，从太阳到地球的500秒飞行时间里，他们自发变化了许多次，到达地球的时候，已经大致平均分配到三个不同的世代，所以第一世代的数量就比预期少了三倍。但是Neutrino Oscillation只有在中微子不但有质量，而且质量是一个很特定的奇怪形式的前提下才可能发生。当时的物理界一般假设中微子质量为零，所以Pontecorvo的理论并没有被广汎接受，一直到1998年日本的Super-Kamiokande实验才完全证实了Neutrino Oscillation。1960年代发现Solar Neutrino Problem的实验者后来得到了2002年的Nobel Prize；证实Neutrino Oscillation的实验者则得到了2015年的Nobel Prize。贡献最大的Pontecorvo却因已在1993年于俄国去世，而与Nobel无缘。

在1970年代标准模型被确立之后，传统的建造更大更贵加速器的惯例，一而再、再而三地无功而返，到LHC的搜索结果又是空白，已经确定高能物理在比标准模型更高的能阶上有一个大沙漠。那么要发现新物理，就只能从精密测量着手。而中微子质量的奇怪形式，也就成为注意力的焦点。过去20多年，一连得了三个Nobel Prize，更是激起了高能物理界对各式各样的中微子实验的热情。但是中微子实验天生就很难做，背景杂讯比真正的讯号高了好几个数量级，所以很快就出现好几个Anomaly（异常现象），简单来説，就是实验结果和理论预期有两三个标准差的差距。现代高能物理实验非常复杂，所以两三个标准差是司空见惯，绝大多数会随着实验精度的提高而消失。如果Anomaly不消失，就代表着可能还有第四种中微子，那么就打破了三个世代的规律，将是超越标准模型的大突破。最近这几年，中微子实验的Anomaly，主要有四个，分别是LSND、Mini Boone、Gallium和Reactor Anomaly，有兴趣的人可以Google看看。这里我们专注于Reactor Anomaly。

Reactor Anomaly和Solar Neutrino Problem很相似，只不过中微子的来源换成为核裂变反应炉。原本实验结果和理论预测基本符合，但是在2011年，理论被改进了，预测值被拉高，实验结果变成低了6%，大约相当于两个标准差。大亚湾本身就是依托附近核电站的一个Reactor Neutrino实验，比较新、比较大，刚好适合用来解答这个问题。

大亚湾核电站每隔18个月要换一次燃料棒，在18个月的过程中，燃料棒里的铀235逐渐消耗，铀238却吸收中子而成为钚（Plutonium，臺湾写作钸）239，然后也会裂变產生热能，所以在一个18个月的周期里，一开始是铀235裂变產生中微子（严格来説，是反中微子，不过我们不须要在科普文章里对这样的细节吹毛求疵），慢慢地混入了一些钚239裂变產生的中微子，然后在换棒期间，这些过程基本中止。大亚湾的实验团队记录了每天的测量结果，然后和核电站的换棒周期做对比，结果发现只有对应着铀235裂变的中微子数量和理论有差距，那么很明显地，问题出在铀235反应的理论计算上，Reactor Anomaly并不是真的新物理。

大亚湾中微子实验反应室内部，反应剂容量为20吨。下一代的JUNO（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，江门地下中微子实验）大1000倍，容量为20000吨。

高能物理的确已经走到尽头，中微子是最后还能做一些实验的少数项目之一。但它至少还是真科学，国家财政也负担得起，那么就钻研到底，把Anomaly一个一个检验排除吧，算是为人类社会满足好奇心的服务。不过整体来説，纯物理做为一个基础学科，它的进展速度比起上个世纪要困难迟缓得多，花费高得多，可能的成就反而小了许多，所以投资的性价比已经远远不如应用科学。中国以往落后于先进国家，只须盯着他人的既有成就，试图跟着复制即可。现在即将赶上第一梯队，反而不应该再一味往前衝。最尖端的研究有很多岔路，绝大多数是死巷子，甚至是有陷坑的，如果不事前做好理智的判断，择优集中财力人力，那么中国将蹈歷史上诸帝国好大喜功的覆辙，冒着透支国力的危险。美国在20多年前就有了这个觉悟，把许多空洞的研究计划裁撤了，中国应该听其言而观其行，在基础科研这个重要的方向，做出明智的选择。