【基礎科研】大亞灣實驗的新結果

我在前文《回答王貽芳所長》中，曾提到高能所在大亞灣進行的Neutrino（中微子）實驗是當今高能物理少數幾個正確的投資方向之一。 2017年四月4日，大亞灣的研究團隊發表了一篇論文（參見https://arxiv.org/abs/1704.01082），詳列了他們對過去三年多實驗數據的分析結果，我在這裡做個簡單的介紹。

大亞灣中微子實驗，三號反應室的外觀，可與上方的工作人員做大小對比。

首先討論一下Neutrino在標準模型（Standard Model）裡面所佔的地位。標準模型裡有三大類粒子：構成物質的Fermion（費米子）、傳播作用力場的Gauge Boson（規范波色子）和給予物質質量的Higgs（希格斯粒子）。 Fermion是原子的組成成分，又依是否參加強作用力分為兩類：Quark（夸克）和Lepton（輕子），前者是如中子和質子這些Hadron（強子）的組成成分，它們形成原子核；後者則包括電子和類似電子但比較重的Muon和Tauon，中微子則像是電子的跟班，但是不參加原子的組成。 Muon和Tauon也有它們自己的中微子。

標準模型的這些Fermion有一個很奇怪的規則：它們形成三個世代（英文是Generation或者Family），世代與世代之間性質（亦即相對三大作用力的電荷）完全相同，只有質量（也就是相對於重力的“電荷”）不同。例如電子、Muon和Tauon，三者的電磁力電荷都是-1、強作用電荷都是0，參加弱作用力的方式也完全一樣。為什麼會有這樣的規律性，是標準模型的未解秘密之一；即使是已經強加了幾百個自由度的超對稱理論，也只是無腦地複制這個規律，不能把它融入一個大架構裡。

我們的宇宙主要由質子、中子和電子組成，它們都屬於質量最輕的第一世代。當這些第一世代的物質進行核子反應（包括beta衰變、裂變和聚變）的時候，它們附帶產生的，主要也是第一世代的電子中微子。太陽是個巨大的聚變反應爐，也是地球附近最大的中微子生產來源，這些來自太陽的叫做Solar Neutrino。

中微子在核物理濫觴的1930年代就被理論學家Pauli預言存在並且命名（Neutrino是意大利文裡“中性的小東西”的意思，所以中譯“中微子”或“微中子”都很貼切，我覺得前者更好些）。當時的核反應實驗發現常常有一些動量和能量在反應的過程中“消失”了。既然動量和能量守恆是近代物理的基礎之一，那麼Pauli就假設有一個未知而且很難捕獲的粒子從實驗中脫逃，計算結果是那些消失的動量和能量剛好對應到一個質量為零或很小的費米子，所以中微子的存在很快被物理界接受。可是因為中微子對強作用力和電磁力的電荷都是零，只參加弱作用力，所以很少與物質反應，也就很難偵測到。 1942年，中國核物理學家王淦昌在重慶提出了一個詳細的實驗設計，不過因為必須用很多放射性穩定的元素（最早用氯）在很嘈雜的背景下偵測到少數幾個反應，一直到現代電子技術有所進步的1956年，才由美國的一個團隊把實驗做出來，證實了中微子的存在，實驗者也得到了1995年的Nobel Prize。王淦昌當時還在世，沒有一起得獎只能説是瑞典人的偏見。

要測量Solar Neutrino必須對它們定向，來自太陽方向才能算。這當然比偵測到隨便任何一個中微子又難上一級，所以到1960年代後半，實驗才完成。結果出人意料，偵測到的數量比理論預測少了三倍，這個發現被稱為Solar Neutrino Problem。正確的解決方案在1968年，由費米的原助手Bruno　Pontecorvo（因為被FBI指控為共產同路人，在1950年逃離美國而投奔蘇聯）提出，叫做Neutrino Oscillation。簡單來説，中微子會自發地從一個世代變成另一個世代，雖然太陽產生的中微子都是第一世代，從太陽到地球的500秒飛行時間裡，他們自發變化了許多次，到達地球的時候，已經大致平均分配到三個不同的世代，所以第一世代的數量就比預期少了三倍。但是Neutrino Oscillation只有在中微子不但有質量，而且質量是一個很特定的奇怪形式的前提下才可能發生。當時的物理界一般假設中微子質量為零，所以Pontecorvo的理論並沒有被廣汎接受，一直到1998年日本的Super-Kamiokande實驗才完全證實了Neutrino Oscillation。 1960年代發現Solar Neutrino Problem的實驗者後來得到了2002年的Nobel Prize；證實Neutrino Oscillation的實驗者則得到了2015年的Nobel Prize。貢獻最大的Pontecorvo卻因已在1993年於俄國去世，而與Nobel無緣。

在1970年代標準模型被確立之後，傳統的建造更大更貴加速器的慣例，一而再、再而三地無功而返，到LHC的搜索結果又是空白，已經確定高能物理在比標準模型更高的能階上有一個大沙漠。那麼要發現新物理，就只能從精密測量著手。而中微子質量的奇怪形式，也就成為注意力的焦點。過去20多年，一連得了三個Nobel Prize，更是激起了高能物理界對各式各樣的中微子實驗的熱情。但是中微子實驗天生就很難做，背景雜訊比真正的訊號高了好幾個數量級，所以很快就出現好幾個Anomaly（異常現象），簡單來説，就是實驗結果和理論預期有兩三個標準差的差距。現代高能物理實驗非常複雜，所以兩三個標準差是司空見慣，絕大多數會隨著實驗精度的提高而消失。如果Anomaly不消失，就代表著可能還有第四種中微子，那麼就打破了三個世代的規律，將是超越標準模型的大突破。最近這幾年，中微子實驗的Anomaly，主要有四個，分別是LSND、Mini Boone、Gallium和Reactor Anomaly，有興趣的人可以Google看看。這裡我們專注於Reactor Anomaly。

Reactor Anomaly和Solar Neutrino Problem很相似，只不過中微子的來源換成為核裂變反應爐。原本實驗結果和理論預測基本符合，但是在2011年，理論被改進了，預測值被拉高，實驗結果變成低了6%，大約相當於兩個標準差。大亞灣本身就是依托附近核電站的一個Reactor Neutrino實驗，比較新、比較大，剛好適合用來解答這個問題。

大亞灣核電站每隔18個月要換一次燃料棒，在18個月的過程中，燃料棒裡的鈾235逐漸消耗，鈾238卻吸收中子而成為钚（Plutonium，臺灣寫作鈽）239 ，然後也會裂變產生熱能，所以在一個18個月的周期裡，一開始是鈾235裂變產生中微子（嚴格來説，是反中微子，不過我們不須要在科普文章裡對這樣的細節吹毛求疵），慢慢地混入了一些钚239裂變產生的中微子，然後在換棒期間，這些過程基本中止。大亞灣的實驗團隊記錄了每天的測量結果，然後和核電站的換棒週期做對比，結果發現只有對應著鈾235裂變的中微子數量和理論有差距，那麼很明顯地，問題出在鈾235反應的理論計算上，Reactor Anomaly並不是真的新物理。

大亞灣中微子實驗反應室內部，反應劑容量為20噸。下一代的JUNO（Jiangmen Underground Neutrino Observatory，江門地下中微子實驗）大1000倍，容量為20000噸。

高能物理的確已經走到盡頭，中微子是最後還能做一些實驗的少數項目之一。但它至少還是真科學，國家財政也負擔得起，那麼就鑽研到底，把Anomaly一個一個檢驗排除吧，算是為人類社會滿足好奇心的服務。不過整體來説，純物理做為一個基礎學科，它的進展速度比起上個世紀要困難遲緩得多，花費高得多，可能的成就反而小了許多，所以投資的性價比已經遠遠不如應用科學。中國以往落後於先進國家，只須盯著他人的既有成就，試圖跟著複製即可。現在即將趕上第一梯隊，反而不應該再一味往前衝。最尖端的研究有很多岔路，絕大多數是死巷子，甚至是有陷坑的，如果不事前做好理智的判斷，擇優集中財力人力，那麼中國將蹈歷史上諸帝國好大喜功的覆轍，冒著透支國力的危險。美國在20多年前就有了這個覺悟，把許多空洞的研究計劃裁撤了，中國應該聽其言而觀其行，在基礎科研這個重要的方向，做出明智的選擇。

【後註】今天是2020年八月11日，美國Fermi Lab的MINOS+團隊和中國的大亞灣實驗小組一起發表他們最新的結果（https://phys.org/news/2020-08-team-international-physicists-sterile-neutrinos.html），徹底否決了正文中所提到的LSND、Mini Boone和Reactor三個Anomaly，證實幾年前的所謂訊號其實來自統計噪音和理論估算錯誤，第四個中微子（Sterile Neutrino）沒有存在的理由。這正是我三年前的預期，與當時高能物理界的自我吹捧嚴重抵觸；現在結果出來了，希望理性客觀的建議能夠因此得到決策單位更大的信任和重視，不再被利益相關者忽悠而無意義地消耗國力。