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                                中微子消失之謎暗藏未知粒子?大亞灣反應堆這樣說

                                時間:2017-06-27 11:14:05 點擊:

                                  核心提示:來源:環球科學公眾號  6月19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》上正式發表,編輯部同時在《物理》上配發法國科學家Muriel Fallot的觀點...

                                  來源:環球科學公眾號

                                  6月19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》上正式發表,編輯部同時在《物理》上配發法國科學家Muriel Fallot的觀點文章《弄清反中微子反!酚枰越庾x。此前,該項成果就得到了《科學》、《今日物理》等十幾家科學媒體的報道。

                                大亞灣中微子探測實驗裝置 圖片來源:Roy Kaltschmidt

                                  從2011年起,“反應堆中微子反!爆F象就一直困擾著物理學家,即實驗上探測到的反應堆中微子數目總是比理論模型預期的少。一種理論解釋是部分中微子轉變成了一種未知的、不可探測的粒子,即所謂的“惰性中微子”。大亞灣實驗這篇論文分析了中微子數目隨核燃料成份的演化,給出了一個更簡單的解釋:核燃料中一種成份的中微子產額計算不正確。

                                  中微子是宇宙中數量最多的物質粒子,具有很多奇特性質。由于它幾乎不與其它物質發生反應,極難探測,存在很多未解之謎。2015年諾貝爾物理學獎就授予了十幾年前發現“中微子振蕩”現象的兩名科學家。

                                  反應堆中微子是反應堆發電過程中的核反應副產物。由于中微子難以探測,能產生海量中微子的核反應堆就成了科學家青睞的中微子源。一個百萬千瓦的反應堆每秒鐘能產生6萬億億個中微子,而大亞灣實驗一個百噸重的探測器只能捕捉到其中的0.005個。1956年首次探測到的中微子就是反應堆中微子。2002年日本KamLAND實驗首次發現了反應堆中微子振蕩,這種振蕩與太陽中微子振蕩性質一樣,證實了太陽中微子振蕩現象。2012年大亞灣反應堆中微子實驗發現了新的中微子振蕩模式。

                                  這些重要實驗都需要計算反應堆到底釋放出多少中微子,它們的能量分布是怎樣的,以便與探測結果比較。幾十年來計算精度也在不斷提高。在大部分商用核反應堆中,能量主要來自4種同位素——鈾235、鈾238、钚239、以及钚241的裂變,中微子也來自它們裂變產物的后續衰變,大約帶走5%的能量。利用核數據庫,對一千多種裂變產物的復雜衰變模式求和,可以給出中微子的數目和能量分布,幾種計算方法的精度大約是10%。20世紀80年代后,實驗上測得了幾種純裂變材料釋放的電子能譜,然后反解出中微子能譜,精度達到2%,這是現在主要采用的模型。但是從2011年起,采用這種計算方法得到的更準確的中微子數與實驗結果相差了6%,稱為“反應堆中微子反!。

                                  在進行中微子振蕩研究時,為了消除這個不確定性,大亞灣實驗采用了遠近相對測量,遠點實驗站測得的中微子數不直接與模型計算比較,而是與近點實驗站測得的中微子數比較。這樣得到的中微子振蕩結果基本上與理論模型無關。但是,為什么會出現“反應堆中微子反!笔橇硪粋很重要的研究課題。

                                  核燃料的初始成份是鈾238和富集到百分之二到百分之五的鈾235,后者是主要的裂變材料。在反應堆運行中,鈾238捕獲中子,變成钚239、钚241以及其它同位素,稱為增殖。钚239和钚241也是裂變材料,它們也逐漸貢獻能量和中微子。增殖出來的钚可以通過化學方法提純,比富集鈾235容易得多,因此也是核武器監控的主要對象。

                                在一年左右的時間周期內,一個典型商用反應堆中四種同位素對能量的貢獻比例。(中國物理C,41,013001(2017))

                                  反應堆一般以恒定的功率發電。每次裂變時,這四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,隨著核燃料成份的演化,反應堆釋放的中微子數目和能量分布將會發生變化。

                                  大亞灣實驗四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份時的中微子數目,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份鈾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%。同時,第二重要的成份钚239則與模型預期一致。

                                鈾235產生的中微子數目與模型預期不一致,钚239則與模型預期一致。(Phys.Rev.Lett。 118, 251801 (2017))

                                  惰性中微子是一種理論上的粒子。假如真的存在,它有可能是宇宙中的一種暗物質。如果中微子反常是普通中微子振蕩到惰性中微子所致,那么不同燃料成份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钚無關。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理論模型對鈾235中微子產額計算不正確所致,而不是由于存在惰性中微子。未來采用更多的數據,將能夠更干凈地確認這個結果。如果在使用純鈾的反應堆旁進行實驗,也能更進一步驗證。

                                  此前,大亞灣實驗還發現在5 MeV能量處,測得的中微子數超出理論模型10%,遠遠大于模型給出的誤差。

                                  這些工作說明我們對反應堆涉及的核數據理解并不完善,在1%的高精度檢驗下出現了不一致的地方,近兩年來激發了核物理學家對核數據的新一輪研究,未來也許能更準確地模擬反應堆,更高效地利用核能。

                                作者:佚名 來源:網絡
                                 

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