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大亚湾核电站新发现:也许我们算错了核反应

来源:科技日报   作者:高博   时间:2017-07-11  
描述:在大亚湾核电站附近几百米的深山里,潜伏着世界上最好的中微子探测器。它本是用来确认中微子的第三种变身模式的,几年前已经完成任务。如今顺手取得另一项引人瞩目的成果——解释核反应堆为何产生那么少的中微子。近...

在大亚湾核电站附近几百米的深山里,潜伏着世界上最好的中微子探测器。它本是用来确认中微子的第三种变身模式的,几年前已经完成任务。如今顺手取得另一项引人瞩目的成果——解释核反应堆为何产生那么少的中微子。

近日,大亚湾反应堆中微子实验的论文《大亚湾反应堆中微子流强和能谱的演化》在《物理评论快报》上发表,同时配发法国科学家法罗的文章《弄清反中微子反常》。最神秘的基本粒子中微子,又引起了人们的兴趣。

反应堆产生的中微子为啥不够多?

实验探测到的反应堆中微子数目总比理论模型预期的少,这就是近几年物理学家困惑的“反应堆中微子反常”现象。2011年发现,计算方法与实验结果相差了6%。

中科院高能物理所的曹俊研究员在博客中介绍说:大部分核反应堆使用铀235、铀238、钚239和钚241,中微子来自它们裂变产物的后续衰变,大约带走5%的能量。现在主要采用的模型,是20世纪80年代实验测得几种裂变材料释放的电子能谱后推出的中微子能谱。这种模型不符合实验结果。

之前物理学家倾向于所谓“惰性中微子”假说,即中微子变化成难以探查的形式。而大亚湾实验的新论文则给出了更简单的解释:我们对核燃料产生多少中微子的计算错了。

曹俊说:“反应堆一般以恒定的功率发电。每次裂变时,这4种同位素释放的能量都差不多,但释放的中微子数目和能量则不一样。因此,随着核燃料成分的演化,反应堆释放的中微子数目和能量分布将会发生变化。”

科学家监测了长时间周期内,大亚湾反应堆中4种同位素对能量的贡献比例。曹俊说:“大亚湾实验4年的运行积累了超过200万个中微子事例。利用这些数据,可以比较不同核燃料成分时的中微子数目,从而推算各个同位素的中微子产额。实验发现,核燃料中最主要的成分铀235产生的中微子数目与模型预期不一致,主流模型的预期比实际观测高了8%。而第二重要的成分钚239则与模型预期一致。”

曹俊说:“如果中微子反常是普通中微子振荡到惰性中微子所致,那么不同燃料成分应该具有相同比例的中微子缺失,因为中微子振荡与产生它的是铀还是钚无关。实验数据看上去不符合这项假设。”据此大亚湾实验的新结果认为,反应堆中微子反常很可能是铀235的中微子产额计算不正确,而不是有“惰性中微子”。

中微子的质量怎么就测不出?

虽然“反应堆中微子反常”现象似乎被破解了,但关于中微子仍有很多未解之谜。中微子是隐士,它很少跟别的粒子反应。捕获不易,所知甚少,就连它的质量至今都还没搞清楚。

起初很长一段时间,大家公认的基本粒子标准模型里,中微子是没有质量的。但戴维斯检测到太阳中微子,小柴昌俊发现超新星中微子时,都证明了中微子有质量。标准模型绽开一道裂口。

既然有质量,那么中微子的质量到底是多少?

中微子根据与外界作用方式不同,分3种味道——电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。而中微子的质量和味道不能同时测准。

大亚湾实验测出了中微子的第三种振荡。

振荡的意思是中微子在奔跑时从一种味道变另一种味道,奔驰变宝马,宝马变奥迪,奥迪变奔驰。这意味着如果测“奔驰”中微子的质量,能得到3种不同结果,按照概率随机出现。

曹俊介绍,之前的中微子振荡实验研究只能测出中微子的质量平方差,不能给出绝对质量。现有的直接测量以及宇宙学测量只能说明中微子的质量不足电子质量的百万分之一。这些研究结果还不足以求得中微子的质量。

中微子绝对质量的测量,要通过中微子非振荡物理研究来得出结论。曹俊介绍,这种研究可以通过精确测量衰变的电子能量端点,或者测量无中微子双衰变(假如存在这类衰变的话),或者通过宇宙学测量。这样可以得到中微子质量的另一个关系式,结合上述已知的条件,就能解出3种中微子的质量。不过,无论哪种情况,要算出中微子的质量,都必须先知道中微子的质量顺序。

但目前中微子的质量顺序也还是一个谜,科学家知道中微子的3种质量状态不同,但是却并不知道哪个最重,哪个最轻。而我国正在建设中的江门中微子实验装置(JUNO)的目标就是找到中微子质量顺序的更多证据,希望未来它能帮我们解开中微子质量之谜。

中微子的反粒子就是它自己?

在科学家看来,中微子跟电子是近亲,只是不带电荷,这也让它免受宇宙间各种电荷作用的羁绊。

已知物质与反物质的区别是电荷,比如电子带一个负电荷,其反物质带一个正电荷,两者相撞会湮灭并放光。中微子不带电荷,那么中微子可能会是其自身的反粒子吗?如果中微子并非自己的反粒子,那么物质与反物质的区别就不止是电荷,也许是一种未知的对称性。

“无中微子双β衰变”实验或许可以照亮迷雾。该实验的理论基础是:两个中子同时衰变为质子,会产生两个电子及两个反中微子;如果中微子是其自身反粒子,产生的这两个反中微子就可以发生湮灭,从而只有电子从衰变中产生出来。

一些建设中的实验将搜寻“无中微子双β衰变”,例如加拿大SNO+实验、意大利的CUORE实验、美国位于废物隔离试验厂的EXO-200实验、美国矿井中的MAJORANA实验等。

暗物质候选人“惰性中微子”真存在?

在解释“反应堆中微子反常”现象时,科学家们猜想这种现象与“惰性中微子”有关。什么是惰性中微子?惰性中微子是否存在?

惰性中微子性情孤僻,不参加除引力之外的任何相互作用。天文学家曾经认为,宇宙中有引力效应却看不着的暗物质,或许就是中微子。但实验显示,中微子质量太微不足道了,不到电子质量的百万分之一,怕是担纲不起暗物质的量级。而假设中的惰性中微子足够重,是暗物质的“理想人选”。

超新星爆炸会射出大量中微子,如果惰性中微子存在,它的反作用力能够推动超新星残骸,而天文学家的确观察到了超新星残骸的加速;惰性中微子还可能衰变成X射线光子,有些天文台发现的X射线就暗示存在比电子重100倍的惰性中微子。

但现有证据还远远不足。为此,科学家们还要研究短距离运动的中微子。费米实验室的科学家们将利用3种探测器搜寻惰性中微子,包括短基线中微子探测器、MicroBooNE和ICARUS。意大利也将启动SOX实验搜寻惰性中微子。

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