誰偷走了核電站的中微子？大亞灣新發現：也許算錯了核反應

責任編輯：韓聲江

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

近日，大亞灣反應堆中微子實驗的論文《大亞灣反應堆中微子流強和能譜的演化》在《物理評論快報》上發表，同時配發法國科學家法羅的文章《弄清反中微子反常》。最神秘的基本粒子中微子，又引起了人們的興趣。

反應堆產生的中微子為啥不夠多？

實驗探測到的反應堆中微子數目總比理論模型預期的少，這就是近幾年物理學家困惑的「反應堆中微子反常」現象。2011年發現，計算方法與實驗結果相差了6%。

中科院高能物理所的曹俊研究員在博客中介紹說：大部分核反應堆使用鈾235、鈾238、鈈239和鈈241，中微子來自它們裂變產物的後續衰變，大約帶走5%的能量。現在主要採用的模型，是20世紀80年代實驗測得幾種裂變材料釋放的電子能譜後推出的中微子能譜。這種模型不符合實驗結果。

之前物理學家傾向於所謂「惰性中微子」假說，即中微子變化成難以探查的形式。而大亞灣實驗的新論文則給出了更簡單的解釋：我們對核燃料產生多少中微子的計算錯了。

曹俊說：「反應堆一般以恆定的功率發電。每次裂變時，這4種同位素釋放的能量都差不多，但釋放的中微子數目和能量則不一樣。因此，隨著核燃料成分的演化，反應堆釋放的中微子數目和能量分布將會發生變化。」

科學家監測了長時間周期內，大亞灣反應堆中4種同位素對能量的貢獻比例。曹俊說：「大亞灣實驗4年的運行積累了超過200萬個中微子事例。利用這些數據，可以比較不同核燃料成分時的中微子數目，從而推算各個同位素的中微子產額。實驗發現，核燃料中最主要的成分鈾235產生的中微子數目與模型預期不一致，主流模型的預期比實際觀測高了8%。而第二重要的成分鈈239則與模型預期一致。」

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，那麼不同燃料成分應該具有相同比例的中微子缺失，因為中微子振蕩與產生它的是鈾還是鈈無關。實驗數據看上去不符合這項假設。」據此大亞灣實驗的新結果認為，反應堆中微子反常很可能是鈾235的中微子產額計算不正確，而不是有「惰性中微子」。

中微子的質量怎麼就測不出？

雖然「反應堆中微子反常」現象似乎被破解了，但關於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。捕獲不易，所知甚少，就連它的質量至今都還沒搞清楚。

起初很長一段時間，大家公認的基本粒子標準模型里，中微子是沒有質量的。但戴維斯檢測到太陽中微子，小柴昌俊發現超新星中微子時，都證明了中微子有質量。標準模型綻開一道裂口。

既然有質量，那麼中微子的質量到底是多少？

中微子根據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。而中微子的質量和味道不能同時測准。

大亞灣實驗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從一種味道變另一種味道，賓士變寶馬，寶馬變奧迪，奧迪變賓士。這意味著如果測「賓士」中微子的質量，能得到3種不同結果，按照概率隨機出現。

曹俊介紹，之前的中微子振蕩實驗研究只能測出中微子的質量平方差，不能給出絕對質量。現有的直接測量以及宇宙學測量只能說明中微子的質量不足電子質量的百萬分之一。這些研究結果還不足以求得中微子的質量。

中微子絕對質量的測量，要通過中微子非振蕩物理研究來得出結論。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，或者測量無中微子雙衰變（假如存在這類衰變的話），或者通過宇宙學測量。這樣可以得到中微子質量的另一個關係式，結合上述已知的條件，就能解出3種中微子的質量。不過，無論哪種情況，要算出中微子的質量，都必須先知道中微子的質量順序。

但目前中微子的質量順序也還是一個謎，科學家知道中微子的3種質量狀態不同，但是卻並不知道哪個最重，哪個最輕。而我國正在建設中的江門中微子實驗裝置（JUNO）的目標就是找到中微子質量順序的更多證據，希望未來它能幫我們解開中微子質量之謎。

中微子的反粒子就是它自己？

在科學家看來，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。

已知物質與反物質的區別是電荷，比如電子帶一個負電荷，其反物質帶一個正電荷，兩者相撞會湮滅並放光。中微子不帶電荷，那麼中微子可能會是其自身的反粒子嗎？如果中微子並非自己的反粒子，那麼物質與反物質的區別就不止是電荷，也許是一種未知的對稱性。

「無中微子雙β衰變」實驗或許可以照亮迷霧。該實驗的理論基礎是：兩個中子同時衰變為質子，會產生兩個電子及兩個反中微子；如果中微子是其自身反粒子，產生的這兩個反中微子就可以發生湮滅，從而只有電子從衰變中產生出來。

一些建設中的實驗將搜尋「無中微子雙β衰變」，例如加拿大SNO+實驗、義大利的CUORE實驗、美國位於廢物隔離試驗廠的EXO-200實驗、美國礦井中的MAJORANA實驗等。

暗物質候選人「惰性中微子」真存在？

在解釋「反應堆中微子反常」現象時，科學家們猜想這種現象與「惰性中微子」有關。什麼是惰性中微子？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。天文學家曾經認為，宇宙中有引力效應卻看不著的暗物質，或許就是中微子。但實驗顯示，中微子質量太微不足道了，不到電子質量的百萬分之一，怕是擔綱不起暗物質的量級。而假設中的惰性中微子足夠重，是暗物質的「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，有些天文台發現的X射線就暗示存在比電子重100倍的惰性中微子。

但現有證據還遠遠不足。為此，科學家們還要研究短距離運動的中微子。費米實驗室的科學家們將利用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。義大利也將啟動SOX實驗搜尋惰性中微子。

（原標題：誰偷走了核電站的中微子 大亞灣新發現：也許我們算錯了核反應）

文章轉載於澎湃新聞

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