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中微子消失之谜暗藏未知粒子?大亚湾反应堆这样说

时间:2017-06-27 11:14:05 点击:

  核心提示: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...

  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。

大亚湾中微子探测实验装置 图片来源:Roy Kaltschmidt

  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。

在一年左右的时间周期内,一个典型商用反应堆中四种同位素对能量的贡献比例。(中国物理C,41,013001(2017))

  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。

铀235产生的中微子数目与模型预期不一致,钚239则与模型预期一致。(Phys.Rev.Lett。 118, 251801 (2017))

  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。

作者:佚名 来源:网络
 

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