6月19日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗的論文《大亞灣反應(yīng)堆中微子流強(qiáng)和能譜的演化》在《物理評論快報》上正式發(fā)表，編輯部同時在《物理》上配發(fā)法國科學(xué)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(xué)》《今日物理》等十幾家科學(xué)媒體的報道。
從2011年起，“反應(yīng)堆中微子反?！爆F(xiàn)象就一直困擾著物理學(xué)家，即實驗上探測到的反應(yīng)堆中微子數(shù)目總是比理論模型預(yù)期的少。一種理論解釋是部分中微子轉(zhuǎn)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(shù)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(chǎn)額計算不正確。
中微子是宇宙中數(shù)量最多的物質(zhì)粒子，具有很多奇特性質(zhì)。由于它幾乎不與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，極難探測，存在很多未解之謎。2015年諾貝爾物理學(xué)獎就授予了十幾年前發(fā)現(xiàn)“中微子振蕩”現(xiàn)象的兩名科學(xué)家。
反應(yīng)堆中微子是反應(yīng)堆發(fā)電過程中的核反應(yīng)副產(chǎn)物。由于中微子難以探測，能產(chǎn)生海量中微子的核反應(yīng)堆就成了科學(xué)家青睞的中微子源。一個百萬千瓦的反應(yīng)堆每秒鐘能產(chǎn)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(yīng)堆中微子。2002年日本KamLAND實驗首次發(fā)現(xiàn)了反應(yīng)堆中微子振蕩，這種振蕩與太陽中微子振蕩性質(zhì)一樣，證實了太陽中微子振蕩現(xiàn)象。2012年大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式。
這些重要實驗都需要計算反應(yīng)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(jié)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(yīng)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(chǎn)物的后續(xù)衰變，大約帶走5%的能量。利用核數(shù)據(jù)庫，對一千多種裂變產(chǎn)物的復(fù)雜衰變模式求和，可以給出中微子的數(shù)目和能量分布，幾種計算方法的精度大約是10%。20世紀(jì)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(dá)到2%，這是現(xiàn)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(zhǔn)確的中微子數(shù)與實驗結(jié)果相差了6%，稱為“反應(yīng)堆中微子反?！薄?/p>
在進(jìn)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(yuǎn)近相對測量，遠(yuǎn)點實驗站測得的中微子數(shù)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(shù)比較。這樣得到的中微子振蕩結(jié)果基本上與理論模型無關(guān)。但是，為什么會出現(xiàn)“反應(yīng)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(yīng)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(xiàn)能量和中微子。增殖出來的钚可以通過化學(xué)方法提純，比富集鈾235容易得多，因此也是核武器監(jiān)控的主要對象。
反應(yīng)堆一般以恒定的功率發(fā)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(shù)目和能量則不一樣。因此，隨著核燃料成份的演化，反應(yīng)堆釋放的中微子數(shù)目和能量分布將會發(fā)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(shù)據(jù)，可以比較不同核燃料成份時的中微子數(shù)目，從而推算各個同位素的中微子產(chǎn)額。實驗發(fā)現(xiàn)，核燃料中最主要的成份鈾235產(chǎn)生的中微子數(shù)目與模型預(yù)期不一致，主流模型的預(yù)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(yù)期一致。
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(zhì)。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(yīng)該具有相同比例的中微子缺失，因為中微子振蕩與產(chǎn)生它的是鈾還是钚無關(guān)。實驗數(shù)據(jù)看上去不符合這項假設(shè)。
據(jù)此，大亞灣實驗的新結(jié)果認(rèn)為，反應(yīng)堆中微子反常很可能是理論模型對鈾235中微子產(chǎn)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(shù)據(jù)，將能夠更干凈地確認(rèn)這個結(jié)果。如果在使用純鈾的反應(yīng)堆旁進(jìn)行實驗，也能更進(jìn)一步驗證。
此前，大亞灣實驗還發(fā)現(xiàn)在5 MeV能量處，測得的中微子數(shù)超出理論模型10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模型給出的誤差。
這些工作說明我們對反應(yīng)堆涉及的核數(shù)據(jù)理解并不完善，在1%的高精度檢驗下出現(xiàn)了不一致的地方，近兩年來激發(fā)了核物理學(xué)家對核數(shù)據(jù)的新一輪研究，未來也許能更準(zhǔn)確地模擬反應(yīng)堆，更高效地利用核能。
在一年左右的時間周期內(nèi)，一個典型商用反應(yīng)堆中四種同位素對能量的貢獻(xiàn)比例。（中國物理C，41，013001（2017））
鈾235產(chǎn)生的中微子數(shù)目與模型預(yù)期不一致，钚239則與模型預(yù)期一致。（Phys.Rev.Lett. 118, 251801 (2017)）
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