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中微子研究与进展 反应堆中微子 占 亮 （中国科学院高能物理研究所 100049） 在 1930 年，泡利（W. Pauli）提出中微子假说之 后来放弃了这个想法。1952 年，莱因斯和柯温决定采 后，反应堆中微子的研究在粒子物理学的发展中起到 用较温和的中微子 源：反应堆， 1953 年，他们在汉 了重要的推动作用。1956 年，莱因斯（F. Reines）和 福特（Hanford）反应堆做了初步的实验，信号不显著。 柯温（C. Cowan）首次探测到反应堆发出的中微子， 1956 年，他们用一个一吨多重改进了的探测器在新建 从实验上确认了中微子的存在，证实了泡利提出的中 成的萨瓦纳河（Savannah River）反应堆进行实验，终 微子假说。2002 年，日本的 KamLAND 实验首次测 于首次直接测量到反应堆发出的中微子信号，这是人 量到了反应堆中微子振荡，验证了太阳中微子振荡模 类首次从实验上证实了中微子的存在，经过 26 年， 式。2012 年，中国的大亚湾中微子实验首次发现了第 泡利的“中微子假说”终于被验证。由于对中微子直 三种中微子振荡，证实了振荡参数 θ13 大于零。作为下 接探测的贡献，莱因斯荣获 1995 年诺贝尔物理奖， 一代中微子实验，中国的江门中微子实验（JUNO）将 而此时柯温已经去世多年。 利用反应堆中微子测量中微子的质量顺序。大亚湾实验 反应堆和原子弹类似，都是利用原子核裂变释放 取得举世瞩目的成果，使我国在此领域站到了国际前沿， 能量，反应堆的燃料主要是浓缩到 2% ～ 4.5% 的铀 JUNO 实验与大亚湾实验一脉相承，将在未来一二十年 235，其他成分为铀 238。反应堆在运行过程中，铀 内取得更多成果，使我国继续占有领先地位。 235 持续发生裂变，同时产生中子，中子被铀 238 俘 20 世纪初，物理学家们发现，原子核发生贝塔 获后又会产生两种可裂变原子核：钚 239 和钚 241， 衰变时，发出的电子能量并不是单一能量，而是一个 这四种原子核是反应堆产生能量和中微子的主要核 连续能谱，这引起了人们对能量和动量守恒定律的怀 素。这四种核素平均每次裂变会释放出 200MeV 能量， 疑。1930 年，泡利根据这个现象提出了中微子假说， 裂变产物大部分为不稳定的放射性同位素，平均会发 认为是贝塔衰变过程中发出的一个新粒子——中微子 生六次贝塔衰变变成稳定的核素，并相应释放出 6 个 带走了一部分能量，并预期了中微子的性质。一个重 中微子。一个热功率为 1 GW 的反应堆，每秒钟释放 要性质，就是中微子只参与非常微弱的弱相互作用， 出的中微子数目约为 2×1020 个，这些中微子为纯净的 与物质极难发生反应，这也是在贝塔衰变实验中并未 反电子中微子，能量约为几个 MeV。 观测到中微子存在的原因。连泡利本人也说：“我做 莱因斯和柯温直接探测反应堆中微子，利用的是 了一件很可怕的事情，我预言了一个无法探测的粒子 反电子中微子（ve ）和质子（p）发生的反贝塔反应， 存在。” 生成一个中子（n）和一个正电子（e+）： - ve+p→n+e+。 - 在物理学发展的过程中，理论物理学家们提出的 假说，必须经过实验验证才能广为人们所接受，即使 在以后的反应堆中微子实验中，几乎都是利用这个反 很难探测，中微子的存在也必须得到验证。由于中微 应来探测中微子。反应堆中微子实验通常采用液体闪 子与物质极难发生反应，被称为宇宙的“隐身人”， 烁体（液闪）探测器，即作为中微子反应的靶物质， 要探测中微子，需要很强的中微子源发出大量的中微 也作为粒子的探测介质。在液闪中，正电子会立即形 子，并且要用很大的探测器。1951 年，莱因斯想在靠 成一个快信号，而中子则需要经过一段时间（～ 200 近原子弹爆炸的地方放置一个探测器来寻找中微子， 微秒）慢化而被原子核俘获，俘获后形成不稳定核素 现代物理知识 22 中微子研究与进展 会释放出伽玛光子（γ）而形成一个慢信号，快慢信 率为 8.5GW，探测器靶物质重为 5 吨，另外为了压低 号的时间符合测量能够大大降低实验本底。 宇宙线本底，探测器放置在地底下 100 多米处。实验 在粒子物理的标准模型中，一共有三种味道的中 采用了掺钆（Gd）液闪，与普通液闪相比，中子俘获 微子，即电子中微子（ve）、缪子中微子（vμ）和陶子 释放的能量由 2.2 MeV 提高到了 8MeV，俘获时间由 中微子（vτ），分别与电子、缪子和陶子三种轻子对应。 200 微秒缩短到了 30 微秒，这大大提高了本底的排除 1957 年，庞蒂科夫（B. Pontecorvo）提出，假如中微子 能力。但是往有机物液闪中掺入无机金属钆会导致液 有质量，那么可以在飞行过程中由一种中微子变成另 闪不稳定，因此 CHOOZ 实验只运行了一年就因为液 一种中微子。1968 年 , 美国布鲁克海文实验室的戴维 闪性能下降而终止。CHOOZ 实验在 1999 年发布最终 斯（R. Davis）在美国 Homestake 金矿中，用一个 600 结果，观测到了约 3000 个中微子候选事例，与预期 吨四氯乙烯探测器，观测到了来自太阳的中微子 , 他发 中微子事例和能谱相比，并没有看到中微子振荡的现 现测量到的中微子个数只有预期的三分之一，称为“太 象。大概在同一时间进行的还有美国的 Palo Verde 实 阳中微子失踪之谜”。1985 到 1994 年间，日本的神 验，实验利用三个反应堆，总功率为 11.6GW，基线 冈（Kamiokande）实验测量到了大气中微子的丢失， 长度为 750 ～ 890 m，使用了一个靶物质为 11.3 吨掺 被称为“大气中微子反常”。对这些现象，其中一个 钆液闪的探测器。Palo Verde 实验在 1999 年发布结果， 可能的解释是中微子振荡，即中微子转变成了另外一种 同样没有发现反应堆中微子的振荡。这两个实验表明 中微子而没有测量到，造成中微子丢失的现象。对于能 在 1 km 处反应堆中微子振荡模式跟大气中微子振荡 量为 E（MeV）的中微子，在飞行一段距离 L（m）被 模式不是同一回事。 1998 年神冈实验升级后的超级神冈实验精确测得 探测后发现仍然是同一种中微子的几率为： 了缪中微子数目随飞行距离的变化关系，证实了大气 2 Psur=1-sin2 2θ sin2 1.27Δm L ， E 中微子振荡。2001 年，加拿大 SNO 实验测量到了太 这个几率通常被称为中微子存活几率，其中 θ 为两 阳中微子实验在探测器内发生的三个过程，发现电子 种中微子的混合角，决定了中微子振荡幅度的大小； 中微子确实丢失了，但是三种中微子的总量并没有变 Δm2 是两种中微子的质量平方差，决定了中微子振荡 化，说明是电子中微子振荡成了其他中微子。这两个 发生所需要的飞行距离。中微子振荡的研究非常重要。 实验因证实中微子振荡现象，而获得了 2015 年的诺 在粒子物理标准模型中，中微子是没有质量的，不会 贝尔奖。2002 年，日本的 KamLAND 实验利用反应 发生振荡现象，而太阳中微子丢失和大气中微子丢失 堆中微子来验证太阳中微子的振荡模式。实验位于神 现象分别表明中微子可能存在振荡，从而具有质量， 冈实验的旧址，距离日本本土和韩国的核电站反应堆 这是唯一超出标准模型的实验现象。 的平均距离为 180 km。由于距离太远导致中微子流强 太阳中微子丢失现象表明中微子质量平方差可能 衰减（正比于距离的平方分之一）严重，为了探测足 范围为 10-5 ～ 10-10 eV2，而大气中微子丢失现象表明 够多的中微子，实验采用了 1000 吨液闪的大型探测器。 -1 质量平方差可能范围是 10 ～ 10 eV 。为了验证中 2002 年 12 月，KamLAND 首次公布了测量结果，观 微子丢失现象，法国的 CHOOZ 实验利用反应堆中微 测到 54 个中微子事例，而预期无振荡的事例数为 87 子来测量振荡几率。反应堆中微子的能量平均值约为 个，验证了太阳中微子的振荡模式。2003 年日本 K2K 3 MeV，CHOOZ 探测器距离反应堆的距离，也就是 实验和 2006 年美国 MINOS 实验也用加速器证实了大 所探测中微子的飞行距离约为 1 km。如果大气中微子 气中微子振荡模式，至此中微子振荡现象被大量实验 丢失是由于缪中微子振荡到电子中微子（vμ→ve），那 证据所确立。 -3 2 么 CHOOZ 实验应该观测到明显的反应堆发出的电子 考虑到三种中微子互相振荡，决定中微子振荡几 中微子的丢失。CHOOZ 实验利用的两个反应堆总功 率的共有 6 个振荡参数，他们是：中微子混合角 θ12、 23 27 卷第 6 期 ( 总 162 期 ) 中微子研究与进展 θ23 和 θ13； 两 个 独 立 的 质 量 平 方 差 Δm221=m22-m21 和 2 31 2 3 2 1 2 32 验方案上有多模块测量、探测器可移动、水池屏蔽、 Δm =m -m ( 或者 Δm )，还有一个电荷宇称（CP） 采用反射板等一系列独创设计，测量 θ 13 的灵敏度达 破坏相角（δCP）。由太阳中微子振荡模式测量到了 到 0.01，而 Double CHOOZ 和 RENO 只有 0.02 ～ 0.03。 θ12 和 Δm221，由大气中微子振荡模式测量到了 θ22 和 图 1 是大亚湾实验的布局图，我们一共有 8 个全同的 2 31 |Δm |，2012 年由大亚湾中微子实验测量到了最后一 探测器模块，在大亚湾反应堆和岭澳反应堆几百米远 个混合角 θ13，未知的参数只剩下 CP 破坏相角。另外 的两个实验厅（EH1 和 EH2）各放置两个近点探测器， 中微子的质量顺序仍然未知，有两种可能：m1