中微子消失之谜暗藏未知粒子？大亚湾反应堆这样说

来源：环球科学公众号

6月19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》上正式发表，编辑部同时在《物理》上配发法国科学家Muriel Fallot的观点文章《弄清反中微子反常》予以解读。此前，该项成果就得到了《科学》、《今日物理》等十几家科学媒体的报道。

从2011年起，“反应堆中微子反常”现象就一直困扰着物理学家，即实验上探测到的反应堆中微子数目总是比理论模型预期的少。一种理论解释是部分中微子转变成了一种未知的、不可探测的粒子，即所谓的“惰性中微子”。大亚湾实验这篇论文分析了中微子数目随核燃料成份的演化，给出了一个更简单的解释：核燃料中一种成份的中微子产额计算不正确。

中微子是宇宙中数量最多的物质粒子，具有很多奇特性质。由于它几乎不与其它物质发生反应，极难探测，存在很多未解之谜。2015年诺贝尔物理学奖就授予了十几年前发现“中微子振荡”现象的两名科学家。

反应堆中微子是反应堆发电过程中的核反应副产物。由于中微子难以探测，能产生海量中微子的核反应堆就成了科学家青睐的中微子源。一个百万千瓦的反应堆每秒钟能产生6万亿亿个中微子，而大亚湾实验一个百吨重的探测器只能捕捉到其中的0.005个。1956年首次探测到的中微子就是反应堆中微子。2002年日本KamLAND实验首次发现了反应堆中微子振荡，这种振荡与太阳中微子振荡性质一样，证实了太阳中微子振荡现象。2012年大亚湾反应堆中微子实验发现了新的中微子振荡模式。

这些重要实验都需要计算反应堆到底释放出多少中微子，它们的能量分布是怎样的，以便与探测结果比较。几十年来计算精度也在不断提高。在大部分商用核反应堆中，能量主要来自4种同位素——铀235、铀238、钚239、以及钚241的裂变，中微子也来自它们裂变产物的后续衰变，大约带走5%的能量。利用核数据库，对一千多种裂变产物的复杂衰变模式求和，可以给出中微子的数目和能量分布，几种计算方法的精度大约是10%。20世纪80年代后，实验上测得了几种纯裂变材料释放的电子能谱，然后反解出中微子能谱，精度达到2%，这是现在主要采用的模型。但是从2011年起，采用这种计算方法得到的更准确的中微子数与实验结果相差了6%，称为“反应堆中微子反常”。

在进行中微子振荡研究时，为了消除这个不确定性，大亚湾实验采用了远近相对测量，远点实验站测得的中微子数不直接与模型计算比较，而是与近点实验站测得的中微子数比较。这样得到的中微子振荡结果基本上与理论模型无关。但是，为什么会出现“反应堆中微子反常”是另一个很重要的研究课题。

核燃料的初始成份是铀238和富集到百分之二到百分之五的铀235，后者是主要的裂变材料。在反应堆运行中，铀238捕获中子，变成钚239、钚241以及其它同位素，称为增殖。钚239和钚241也是裂变材料，它们也逐渐贡献能量和中微子。增殖出来的钚可以通过化学方法提纯，比富集铀235容易得多，因此也是核武器监控的主要对象。

反应堆一般以恒定的功率发电。每次裂变时，这四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，随着核燃料成份的演化，反应堆释放的中微子数目和能量分布将会发生变化。

大亚湾实验四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份时的中微子数目，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份铀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%。同时，第二重要的成份钚239则与模型预期一致。

惰性中微子是一种理论上的粒子。假如真的存在，它有可能是宇宙中的一种暗物质。如果中微子反常是普通中微子振荡到惰性中微子所致，那么不同燃料成份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理论模型对铀235中微子产额计算不正确所致，而不是由于存在惰性中微子。未来采用更多的数据，将能够更干净地确认这个结果。如果在使用纯铀的反应堆旁进行实验，也能更进一步验证。

此前，大亚湾实验还发现在5 MeV能量处，测得的中微子数超出理论模型10%，远远大于模型给出的误差。

这些工作说明我们对反应堆涉及的核数据理解并不完善，在1%的高精度检验下出现了不一致的地方，近两年来激发了核物理学家对核数据的新一轮研究，未来也许能更准确地模拟反应堆，更高效地利用核能。