PDF《反应堆中微子》

22 中微子研究与进展 现代物理知识 反应堆中微子 占? 亮 (中国科学院高能物理研究所 100049) 在1930 年,泡利(W.

Pauli)提出中微子假说之 后,反应堆中微子的研究在粒子物理学的发展中起到 了重要的推动作用.1956 年,莱因斯(F. Reines)和 柯温(C. Cowan)首次探测到反应堆发出的中微子, 从实验上确认了中微子的存在,证实了泡利提出的中 微子假说.2002 年,日本的 KamLAND 实验首次测 量到了反应堆中微子振荡,验证了太阳中微子振荡模 式.2012 年,中国的大亚湾中微子实验首次发现了第 三种中微子振荡,证实了振荡参数 θ13 大于零.作为下 一代中微子实验,中国的江门中微子实验(JUNO)将 利用反应堆中微子测量中微子的质量顺序.大亚湾实验 取得举世瞩目的成果, 使我国在此领域站到了国际前沿, JUNO 实验与大亚湾实验一脉相承,将在未来一二十年 内取得更多成果,使我国继续占有领先地位.

20 世纪初,物理学家们发现,原子核发生贝塔 衰变时,发出的电子能量并不是单一能量,而是一个 连续能谱,这引起了人们对能量和动量守恒定律的怀 疑.1930 年,泡利根据这个现象提出了中微子假说, 认为是贝塔衰变过程中发出的一个新粒子――中微子 带走了一部分能量,并预期了中微子的性质.一个重 要性质,就是中微子只参与非常微弱的弱相互作用, 与物质极难发生反应,这也是在贝塔衰变实验中并未 观测到中微子存在的原因.连泡利本人也说:"我做 了一件很可怕的事情,我预言了一个无法探测的粒子 存在." 在物理学发展的过程中,理论物理学家们提出的 假说,必须经过实验验证才能广为人们所接受,即使 很难探测,中微子的存在也必须得到验证.由于中微 子与物质极难发生反应,被称为宇宙的"隐身人", 要探测中微子,需要很强的中微子源发出大量的中微 子,并且要用很大的探测器.1951 年,莱因斯想在靠 近原子弹爆炸的地方放置一个探测器来寻找中微子, 后来放弃了这个想法.1952 年,莱因斯和柯温决定采 用较温和的中微子源:反应堆,

1953 年,他们在汉 福特(Hanford)反应堆做了初步的实验,信号不显著.

1956 年,他们用一个一吨多重改进了的探测器在新建 成的萨瓦纳河(Savannah River)反应堆进行实验,终 于首次直接测量到反应堆发出的中微子信号,这是人 类首次从实验上证实了中微子的存在,经过

26 年, 泡利的"中微子假说"终于被验证.由于对中微子直 接探测的贡献,莱因斯荣获

1995 年诺贝尔物理奖, 而此时柯温已经去世多年. 反应堆和原子弹类似,都是利用原子核裂变释放 能量,反应堆的燃料主要是浓缩到 2% ~ 4.5% 的铀 235,其他成分为铀 238.反应堆在运行过程中,铀235 持续发生裂变,同时产生中子,中子被铀

238 俘 获后又会产生两种可裂变原子核:钚239 和钚 241, 这四种原子核是反应堆产生能量和中微子的主要核 素.这四种核素平均每次裂变会释放出 200MeV 能量, 裂变产物大部分为不稳定的放射性同位素,平均会发 生六次贝塔衰变变成稳定的核素,并相应释放出

6 个 中微子.一个热功率为

1 GW 的反应堆,每秒钟释放 出的中微子数目约为 2*1020 个,这些中微子为纯净的 反电子中微子,能量约为几个 MeV. 莱因斯和柯温直接探测反应堆中微子,利用的是 反电子中微子(v - e )和质子(p)发生的反贝塔反应, 生成一个中子(n)和一个正电子(e+ ): v - e+p→n+e+ . 在以后的反应堆中微子实验中,几乎都是利用这个反 应来探测中微子.反应堆中微子实验通常采用液体闪 烁体(液闪)探测器,即作为中微子反应的靶物质, 也作为粒子的探测介质.在液闪中,正电子会立即形 成一个快信号,而中子则需要经过一段时间(~