探测到这些粒子，让我们看到宇宙诞生的第一秒钟
中微子是宇宙中最基本的粒子之一，但是由于中微子的特性奇怪，导致我们很难探测到它。同时，中微子在飞行的过程中还能变身成为另一种中微子，我们称之为中微子振荡。中微子振荡有可能帮助我们发现自然界新的基本规律，很多宇宙起源演化的未解之谜也可以通过研究中微子振荡解决。中微子振荡是怎么被发现的？第三种振荡真的存在吗？如何提高振荡的测量精度？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院高能物理所研究员曹俊演讲实录：
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。
中微子振荡的发现过程
因为中微子很难探测，它研究的过程是非常曲折而复杂的事，今天我向大家分享的就是中微子振荡发现中的故事。
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。
在今年，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。
第一项就是他现在抱着的50厘米大的光电倍增管，可以探测到单光子，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。
我们周围的空间，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，每天会产生四亿个中微子。
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。
我们刚才说了，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，他也因为这个成果获得了2002年的诺贝尔奖，和小柴昌俊一起。
他不光探测到太阳中微子，而且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。
另外这个实验非常困难，大家说，如果是这个实验做得不准怎么办？
他不服，然后就不停地做这个实验，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，是因为他要用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1000吨重水，价值3亿美元。
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。
就是太阳发出的中微子总数其实没有减少，我们都看见了，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？
我们知道一共有三种中微子，我们已经发现了大气中微子和太阳中微子振荡。
三种中微子应该存在三种振荡，所以还应该有一种振荡，我们把它叫做用θ13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，日本发表的成果里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。
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。
到2012年时，我们这个实验大厅是2011年底刚建成的，然后就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，是我们没有想象到的大，所以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，才能知道怎样提高中微子的探测效率，然后才能做这项实验。
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。
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？
是因为我们设计了8个探测器，近点2个，远点4个，有两个近点。
但是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，所以把这个半吊子的结果发表了。
我们当时就进行了很多讨论，如果我们继续按照这个节奏走，他们有可能会抢先发现中微子振荡。
我们经过反复的论证，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，一共六个探测器。
我们只用了55天的数据，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，然后一直运行下来。
给大家分享几张照片，这是我们连接各个实验厅的隧道的照片。
这张照片就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
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%。第二，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。
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。
所以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，我们其实就提出了江门中微子实验的想法，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。
然后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。我们挑的这个地方离台山和阳江两个核电站都是60公里。
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，所以我们就必须要在这个地方做这个实验。
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，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。
然后我们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，我前天刚去了一次，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。
所以往下走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。
可以探测到超新星的背景中微子，就是以前的超新星死亡以后发出来的中微子，它们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。
我们花六到十年的时间，应该就能探测到超新星背景中微子。
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。
有的是你测的好一点，有的是我测的好一点，这样既有竞争，也有合作，互相弥补。
所以未来的十几年，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。
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks）