2021年5月22日，“科普中國-我是科學家”第34期“突破想象力！”演講現場，中國科學院高能物理研究所副研究員、中微子和低本底探測技術研究者趙潔帶來演講：《捉住幽靈粒子，捉住1/4個世界》。
趙潔演講影片：
以下為趙潔演講實錄：
2021。05。22 深圳
歡迎大家來到中微子的世界。今天我要講的是《捉住幽靈粒子，捉住1/4個世界》，這個題目聽起來有點科幻，什麼是幽靈粒子，為什麼又是1/4世界？接下來我會為大家一一解答。
我們對地球以外的宇宙有著自然的好奇，那我想問大家一個問題，觀測宇宙的方式有哪些？最直接的方式莫過於抬頭看天，看漫天的星辰，如果想要看得更清晰一點，我們可能需要藉助一架專業的天文望遠鏡，除了這種直接向上的探索方式以外，我們科研工作者還會在深深的地下
挖一個巨大的洞
，然後等待來自宇宙的使者到達我們身邊，被我們捕捉到。我們江門中微子實驗計劃就是在高山下面700米深的位置，挖一個十幾層樓高的大洞，來捕捉來自宇宙的幽靈粒子——中微子。
中微子這個詞聽起來好像有點陌生，感覺和我們的生活也沒有什麼關係，但事實上，中微子是我們生活當中的常客，它是無處不在的。構成我們物質世界的基本粒子有12種，其中有3種，是不同型別的中微子，因此它也是構成我們物質世界的那
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。中微子是所有基本粒子當中最小的，以我們比較熟悉的基本粒子——電子為例，電子的質量大概是10的負27次方克這樣一個數量級，那麼中微子有多小呢，它的質量還不到電子的百萬分之一。
科學家們普遍認為，現在的宇宙來自於Big Bang，也就是大爆炸，它能夠解釋宇宙的起源和演化，並得到科學研究和觀測的一些支援，大爆炸的時候產生了非常多的中微子，且中微子還伴隨著宇宙天體的整個演化過程，比如說超新星爆發，太陽核聚變發光發熱，都會產生大量的中微子；而穿梭於宇宙當中的宇宙射線，在到達地球穿過大氣層時，也會產生大量的中微子；我們所居住的地球，也是一個非常大的中微子源；甚至於我們身體，由於我們體內和每天攝入的食物裡面富含有鉀元素，因此人體也是一箇中微子源，每個人每天都能釋放出3億多箇中微子。除了這些天然的中微子源以外，中微子還可以被人工造出來，比如說反應堆的核裂變，加速器的束流打靶，都是可以產生中微子的。
現在我們知道，中微子在我們周圍甚至在整個宇宙當中都是普遍存在的，那為什麼我們卻感覺不到它的存在呢？實驗發現，中微子有一個非常神奇的特性，它具有極強的穿透性，比如每十萬億個太陽放出的中微子，在穿過地球的過程中，僅有一顆中微子，是有可能和地球發生相互作用的，所以說中微子被稱為
宇宙的幽靈粒子
。
與地球反應的中微子非常稀少 | Fermilab
這意味著，以人體為例，每秒鐘都有萬億個中微子穿過身體，而我們沒有任何感覺，如果中微子沒有這種隱身特性的話，那我們現在就不可能安穩地坐在這兒了，人體瞬間就會被萬億個中微子打成一個篩子。
中微子的這個特性也使得它很難被捕捉到，它在1930年被沃爾夫岡·泡利所預言，但直到歷時26年以後，才被弗雷德裡克·萊因斯和克萊德·科溫，兩位物理學家在反應堆旁邊給捕捉到了，直接證實了中微子是實際存在的，發現者也獲得了諾貝爾物理學獎。
中微子的發現，使中微子的研究變得火熱起來，在幾十年的不斷探索中，科學家們發現中微子不僅會隱身，它還會變身，什麼意思呢？中微子在接近光速的傳播過程中，它能夠從一種型別的中微子，轉變成另外一種型別的中微子，更神奇的是它還能夠變回它自己，我們稱這種現象叫
中微子振盪
現象，舉個例子，一家有三姐妹，老大、老二和老三，老大在路上走得好好的，走著走著卻變成了老二，這有點像中微子第一種振盪模式，它是被加拿大的SNO實驗，透過觀測太陽放出的中微子而觀測到的。
左：SNO實驗阿瑟·麥克唐納；右：超級神岡實驗梶田隆章| Nobel Media AB。 Photo
老二繼續往前走，她走著走著又變成了老三，有點像中微子的第二種振盪模式，它是被日本的超級神岡實驗，透過觀測大氣產生的中微子而觀測到的，這兩個實驗也因為直接觀測到了中微子振盪，證明中微子是有質量的，而獲得了2015年的諾貝爾物理學獎。
剛才我提到過，中微子有三種類型，很自然地人們就會問，老大能不能直接變成老三？也就是，中微子是否存在第三種振盪模式？第三種振盪模式是否存在，或者這種機率是否足夠大，將直接決定著能否在現有技術基礎上去研究中微子的其他未知性質，以及解決宇宙正反物質不對稱之謎等等。
基於驗證中微子第三種振盪模式的重要性，國際多個國家提出了很多的實驗方案——
這張圖中列出來的是8個反應堆實驗方案，裡面也包括中國的大亞灣實驗，在大亞灣實驗之前，我國沒有經驗建設中微子探測器，而競爭對手來自美國、日本、歐洲等發達國家，他們有經驗非常豐富的團隊。但是大亞灣有非常好的先天地理優勢，所以美國人放棄在自己本土搭建探測器，帶著人和錢，加入到我們的大亞灣實驗當中。圖中雖然有非常多的實驗方案，但因為各種原因，有的沒有正常開展或者執行，最終參與角逐的只有法國的Double-Chooz，韓國的RENO，還有中國的大亞灣實驗，誰最先測到
第三種振盪模式
，誰就能夠贏得這場重量級的全球競賽。
大亞灣實驗，因為建設在廣東省大亞灣核電站附近而得名，十年前我作為大亞灣實驗的親歷者，有幸參與到最後的建設當中。2011年年底的時候，按照原本建設8個探測裝置的計劃，我們只建成了6個，但當時的國際競爭可謂到了爭分奪秒的階段，因為韓國的RENO實驗已於當年的8月份開始取數，隨時有可能公佈成果，我們大亞灣實驗合作組當機立斷，下決心提前啟動裝置，捕捉中微子。
記得很清楚，那是2011年12月24日，也就是聖誕節的前一天，我們大亞灣實驗開始6個探測裝置的取數，最終證明這是一個非常聰明的決定，我們觀測到了反應堆中微子振盪，領先於另外兩個實驗，第一次看到了中微子第三種振盪模式，這一重要成果入選了美國科學雜誌評選的2012年度十大突破，並被讚譽為
中國有史以來最重要的物理學成果
。2016年的國際基礎物理學突破獎，頒給了五個中微子振盪實驗，其中也包括大亞灣實驗，這是中國科學家和以中國科學家為主的實驗團隊首次獲得這個獎項。同時我們也獲得了國家自然科學一等獎、未來科學大獎等等。
在獲得這一重要成果後，我們在2012年的夏天暫停取數，完成了剩餘探測裝置的安裝，開始對中微子振盪進行精確測量。十年磨一劍，2003年我們首次提出了實驗方案，到2012年我們發現了重要的物理學成果，我國在中微子實驗領域從零起步，一步步走到了國際領先的水平。
大亞灣實驗於2020年光榮退役 | 劉悅湘供圖
去年底，大亞灣實驗退役了，但是大亞灣實驗不是終點而是起點，因為中微子世界還有非常多的未解之謎，比如中微子的絕對質量有多少，三種中微子誰重誰輕，能否利用中微子解決宇宙中正反物質不對稱之謎？大亞灣的重要成果，為下一代中微子實驗打開了一扇門，使得我們可以在現有技術的基礎上，進一步研究中微子性質。
剛才我們提到，中微子是基本粒子當中最小的，它的質量還不到電子的百萬分之一，現在國內外還沒有任何實驗，能夠測量到它的絕對質量是多少，但是我們可以透過測量中微子振盪現象，來得到兩種中微子的質量差，從而可以對三種中微子進行質量排序。
針對這樣一個未解的科學問題，新一輪的國際競爭再次展開，這張圖中列出來的，都是可以用來測量質量順序的實驗方案，其中包括美國、歐洲、日本、印度，還有在我們中國的江門中微子實驗。江門中微子實驗建造在廣東省江門市，計劃在開平打石山下700米深的位置，挖一個十幾層樓高的大洞，用來捕捉來自宇宙和反應堆的中微子。相比大亞灣實驗，我們江門實驗的探測裝置，比大亞灣要大了一千倍，這對我們來說是一個非常大的挑戰。
講了這麼多，大家可能很好奇，中微子會隱身還會變身，那是怎麼被捕捉到的？我們捕捉中微子不是靠肉眼去看，因為在所有的基本粒子當中，除了特定波長的光子以外，其他的粒子都是肉眼不可見的，我們需要藉助於極精密的儀器去探測它，把它們身上攜帶的資訊，轉化成我們可以看得懂的量，這樣我們就看到它了，接下來一個影片演示，來展現中微子在我們的探測器裡面是什麼樣子。
影片由江門實驗合作組中山大學軟體組提供
當外界一箇中微子打到探測器裡面，它有一定機率，可以和探測介質發生相互作用，同時會發出微弱的熒光，這個熒光被周圍極靈敏的光學器件捕捉到，並放大一千萬倍，我們就看到這個中微子了。大亞灣實驗是建造在本土的實驗，這樣先天的優勢使得我們可以培養出一批國際一流的科學家，並且積累豐富的經驗。但相比大亞灣實驗，江門實驗的探測裝置畢竟大了一千倍，自然也有非常多的技術難點和挑戰，剛才提到過中微子發出的微弱訊號，是被遍佈周圍的光學器件捕捉到的，這就要求我們有非常好、極其精密的光學器件去探測它，這種光學器件是光電倍增管。
用於捕捉訊號的光電倍增管 | 劉悅湘供圖
在江門實驗之前，這種高品質20英寸光電倍增管，只有日本一個廠家可以生產，價格是極其昂貴的，也是制約實驗進度的一個重要因素。於是我們下定決心自主研發，經過十年時間，我們研發出了國際一流的光電倍增管，並且大批次地用在了江門實驗當中，極大地降低了實驗成本。
中微子雖然非常多，但它具有
極強的穿透性
，所以最終能被捕獲的只是鳳毛麟角，而周圍的環境、天上的宇宙線，還有探測器的材料等等，都可以帶來非常多的非中微子事例，數量遠遠大於中微子數量。
尋找中微子如同在無數黃豆中找一顆綠豆 | 圖蟲創意
舉個形象的例子，我們尋找中微子，就如同在一百萬顆黃豆裡面去挑一顆綠豆，要想快速準確地挑出中微子這顆綠豆，就需要盡最大可能壓低黃豆數，我們把這麼一個巨型的探測器，安裝在深深的地下，一個重要目的就是降低來自宇宙射線的非中微子事例。我的主要工作，就是盡最大的可能去降低江門探測器材料所帶來的非中微子事例，為江門實驗保駕護航。
江門探測器結構示意圖 | 江門實驗合作組供圖
這張圖是我們江門探測器的一個結構示意圖，十幾層樓高的巨大水晶球，是由600噸高透明度有機玻璃搭建而成，裡面將要灌裝2萬噸最透明的液體閃爍體，用來捕捉中微子。這個液體要多透明呢？大家可以想象一下，兩萬噸的液體裡面，如果混入0。01克灰塵，這個液體就是不合格的。這麼一個巨型水晶球，被一千噸最乾淨的不鏽鋼支撐起來，並浸泡在3。5萬噸超級純淨的水裡面，所有這些措施都是為了降低周圍環境、岩石、殘餘宇宙射線帶來的非中微子事例。
值得驕傲的是，江門探測器的所有主材料，全部高質量地實現國產化，極大地降低了我們實驗的成本。
江門實驗在2015年1月開始破土動工，在挖掘的過程中也遇見到了非常多未預料到的問題。
動工過程中遇到地下漏水問題 | 劉悅湘供圖
最為嚴重的就是如上圖所示的地下漏水問題，嚴重影響了我們的施工進度。經過6年艱苦卓絕地挖掘，克服現場種種困難，最終我們在地下挖出了實驗大廳。
通往地下實驗室的斜井隧道 | 劉悅湘供圖
這兩張圖就是通往地下實驗廳的斜井隧道。
江門實驗實驗大廳 | 劉悅湘供圖
這張圖是我們在700米山下，挖出的40多米高的一個實驗大廳。
在實驗大廳底部焊接不鏽鋼 | 劉悅湘供圖
這張圖是我們正在實驗大廳底部去焊接不鏽鋼。計劃在今年秋天，開始探測器主結構的搭建。
盛放最透明液體的不鏽鋼容器 | 劉悅湘供圖
這張圖是我們用來盛放兩萬噸最透明液體的不鏽鋼容器，圖中工作人員穿戴潔淨服，已經完成了對整個容器的清潔工作，計劃在明年秋天開始液體的灌裝。
江門實驗計劃2023年開始取數 | 劉悅湘供圖
現在江門實驗正在火熱地建設當中，計劃2023年開始取數。我們目前對於中微子的研究還主要集中於它的基本性質測量，也就是停留在基礎科學層面。但是，今天的科學是明天的技術，中微子獨特的性質，使得它有可能會為未來通訊和維護人類和平做出重要貢獻。但從基礎科學到技術轉化，這是需要一代代科學家持續努力的。
讓我們拭目以待吧，謝謝大家。
演講嘉賓趙潔：《捉住幽靈粒子，捉住1/4個世界》 | 拍攝：Vphoto
作者：趙潔
監製：吳歐
策劃：吳歐
編輯：酥魚 蔡禕
排版：尹寧流
