中微子物理探测技术现状与应用展望

　　摘    要：　中微子穿透性强, 传播速度快, 是信息的绝佳载体。近年来随着中微子技术的快速发展, 中微子的应用前景越来越受到关注。文章介绍中微子物理的研究概况、探测技术的发展动态及其潜在应用, 并从对核设施的探测、深海通信及核武器销毁等方面介绍其军事应用前景。

　　关键词：　中微子; 探测; 通信; 军事应用;

　　Abstract：　Because of its good penetrability and fast traveling, neutrino is one of the best information carriers. More and more attention has been paid to its application prospect with the rapid development of the neutrino technology in recent years. The surveys of neutrino physics, the trends of its detection technology and the potential applications are discussed in this paper. Moreover, the prospects of its military application to the detection of nuclear facilities, deep sea communication and nuclear weapon destruction are emphasized.

　　Keyword：　neutrino; detection; communication; military application;

　　2017年底, 国际着名期刊《Science》 (《科学》) 公布了其评选出的当年全球十大科学突破[1], 排第三位的是美国COHERENT实验组科学家利用一台重量仅仅和微波炉相当的便携式探测器, 首次捕捉到中微子与原子核间相干散射的信号[2]。这项发现从实验上验证了40多年前物理学家提出的预言, 完成了那些大型中微子探测装置多年来未完成的目标。公众对中微子技术及其应用的关切和憧憬又被唤起。本文试图回应这种关切, 对中微子物理的研究概况、中微子探测技术的发展动态及其潜在应用特别是军事应用前景进行分析。

　　一、中微子物理的研究概况

　　中微子是一种不带电的基本粒子, 有三种类型, 质量很小, 已接近光速运动。从着名物理学家泡利1930年提出存在中微子的假说, 人类对中微子的研究已有将近90年。从1956年人类第一次探测到中微子算起, 也有60多年历史。中微子只参与弱和引力相互作用, 与物质的相互作用极小, 穿透能力极强, 这也使得探测非常困难。因此, 在发现初期中微子物理发展较为缓慢。1998年日本超级神冈实验发现中微子振荡后, 迎来了中微子研究的黄金时代。对中微子物理的投资也进入爆发式发展阶段, 欧、美、加拿大、日本等先后修建了大约五十个中微子探测装置。2014年美国能源部和自然科学基金委将中微子物理列为驱动科学发展的“五驾马车”之一[3]。目前, 多个新的中微子实验已被批准或正在申请, 这其中包括中国的江门中微子实验、美国DUNE、日本Hyper-K、印度INO、韩国RENO-50、美国在南极的PINGU、法国在地中海的ORCA等。

　　日本具有世界领先的中微子探测技术和探测装置。近二十年来, 其在中微子探测实验上的研究已经获得两次诺贝尔物理学奖。目前, 日本正加紧研发新一代的中微子探测技术, 对其国内的神冈中微子探测器进行升级改造。预计2025年升级完成后, 高级神冈 (Hyper-K) 的探测能力和精度将大大提高。此外, 日本还计划在其国内新建或与韩国合建一台先进的中微子探测器, 与高级神冈构成探测器群。

　　我国于2011年建成大亚湾核反应堆中微子探测器并投入运行。2012年以超过五倍标准偏差的置信水平率先给出了第三种振荡模式存在的证据, 并精确测量了第一代和第三代中微子之间的混合角, 成为当年全球重大科学进展。2015年, 我国新一代中微子实验项目江门中微子实验基地开始施工建设, 预计2020年投入运行, 这将会进一步增强我国在该领域前沿研究的竞争力。但是, 我国目前还十分缺乏针对中微子应用的前沿研究。

　　二、中微子探测技术

　　地球上的中微子主要来源于太阳、宇宙线、核反应堆和粒子加速器, 数量非常多。一个典型的核反应堆每秒产生六万亿亿个中微子, 每秒有三亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体, 宇宙大爆炸残余的中微子更是在整个宇宙空间内多达 330个每立方厘米, 每个人每天都会因体内钾-40的衰变而产生4亿个中微子。这些中微子带着母体的信息几乎自由地穿行, 极难被探测[4]。

　　微观粒子的探测需要借助粒子与宏观物质的相互作用来实现, 带电粒子与物质之间电磁相互作用的行为及性质成为人类探测微观带电粒子的物理基础。由于中微子不带电, 需要让它发生弱相互作用产生带电粒子, 然后通过识别带电粒子来读出中微子信号。最常用的探测方式是利用反贝塔衰变反应在氢核 (即质子) 上俘获中微子, 生成一个正电子和一个中子。由于弱相互作用的散射截面极小, 需要建造大规模的探测器才能实现中微子的探测 (见图1左图) 。这类探测实验通常需要几万吨探测材料, 比如美国DUNE实验采用1到4万吨液氩, 日本超超级神冈采用50万吨纯水, 印度INO采用5万吨铁, 中国江门实验采用2万吨液态闪烁体。只有这样巨大的探测器才有可能在万亿个经过的中微子中捕捉到少数几个。

　　2017年8月, 美国COHERENT实验组在《科学》杂志上发表了他们在中微子探测方法和探测器小型化研究上取得的突破性进展, 他们利用掺杂了钠元素的碘化铯晶体制成一个只有14.6公斤重的中微子探测器 (见图1右图) , 通过探测中微子与原子核的相干弹性散射实现中微子的精密探测。中微子相干散射过程43年前就被量子力学明确预言。中微子一次跟原子核内所有的核子发生散射, 反应的几率正比于核子数量的平方。COHERENT实验用的碘化铯晶体, 碘和铯都比较重, 分别包含127和133个核子, 这样反应几率就是在单个核子上散射几率的一万倍。假如用它来探测核反应堆产生的中微子, 反应几率可比现在常用的方法提高上百倍, 有望使中微子探测器小型化, 甚至可能会出现便携式探测器, 大大推动中微子探测技术的应用。但是, 目前COHERENT实验组的技术还不够成熟, 只有技术难度最小的碘化铯晶体探测器被研制成功了。由于技术难度高, 用它研究中微子暂时还没有优势。随着技术成熟, 也许会在中微子物理研究或应用上取得越来越好的成效[4]。

　　图1 传统中微子探测器和便携式探测器对比

　　(注:下图是我国大亚湾核反应堆中微子实验的探测器;下图是美国COHERENT实验的中微子探测器, 只有14.6公斤重)

　　三、中微子的应用前景

　　(一) 科学上的应用

　　在粒子物理学上, 对中微子信号的测量能够获取这些基本粒子的性质, 对超越粒子物理标准模型的新物理的探索给出非常有价值的信息。在宇宙学和天体物理研究上, 由于中微子的强穿透性, 地球上可以探测到来自遥远星体和宇宙大爆炸初期产生的中微子, 可以将几万光年以外星体的信息带到地球, 也可以将太阳内部的信息传递给人类, 通过分析可以得到太阳、超新星等天体乃至整个宇宙的内部结构和演化的物理规律。在地球科学上, 由于中微子与物质相互作用的截面会随着中微子能量的提高而增大, 利用高能加速器产生能量较高的中微子束定向照射地层, 与地层物质的相互作用会产生局部震动, 能够实现对深层地层的扫描和勘探。此外, 地球内部的放射性元素衰变会产生中微子, 通过探测来自地球的中微子信号可以获取地球内部放射性元素的分布和数量, 进而获知地球内部结构的精确数据和演化规律。

　　(二) 军事上的应用

　　中微子的产生和探测技术可能会有重要的军事应用。1988年, 美国着名的贾森 (JASON) 国防顾问团就曾经对中微子产生和探测的军事应用价值进行了全面研究和评估, 并给美国军方提供了详细的研究报告。中微子与物质的相互作用极小, 对介质的穿透性很强, 不易衰减, 传播速度快, 是信息的绝佳载体;但另一方面, 它的产生和探测也会变得困难, 这一度延缓且限制了对它的应用。近年来, 随着中微子产生和探测技术的快速发展以及对中微子物理性质理解的深入, 人们开始关注中微子的军事应用研究[5]。主要研究方向为:

　　1.中微子雷达。核反应会产生中微子, 中微子可以轻易穿透各种障碍物。通过中微子信号的探测可以发展中微子雷达, 实现对深海核潜艇和地下掩体核设施的探测和定位, 以弥补电磁波雷达以及声纳在这些场景中的缺陷。目前, 有科学家研究通过探测中微子信号的强度来甄别核燃料浓缩的级别。如果是武器级核燃料, 发出中微子的信号就可能更加强烈。因此, 该方法对发现大规模杀伤性武器非常有帮助。

　　2.中微子通信。从1970年起, 美国就有物理学家研究以中微子作为载体的通信技术, 认为中微子可以胜任全球点对点无线直联、恒星际或星系团之间以及地面和深海之间电磁波难以完成的通信任务[6,7,8,9,10]。军事上对地面和深海之间的有效通信存在现实的需求:破除核潜艇的通信制约, 提高核潜艇通信效率。高频电磁波的数据传输能力较高, 但对海水的穿透能力很弱;低频电磁波虽然能穿透海水, 但其数据传输能力很低。频率在几千赫兹之间的电磁波, 信息传输速度可达到70bit/s, 但仅能穿透海面几米深;频率在100Hz以下的电磁波, 可以穿透海面100米深, 但信息传输速度仅为1字节/分钟, 并且信号中常常伴随着高噪音[11]。这极大地限制了潜艇与地面指挥部的通信自由。核潜艇原本可以数月潜航于深海中, 但为了与地面之间的通信, 需要连接一根有线天线到接近海面处。这制约了核潜艇的航行深度和速度, 增加了被发现的风险。中微子能够轻易穿透海水, 以中微子作信息传播的载体可以高效地实现地面和潜艇之间的通信自由, 能极大提升潜艇的战斗力。

　　2009年, 美国弗吉尼亚理工学院的Huber在总结前人经验的基础上, 设计了一套地面和深海潜艇通过中微子通信的简单方案[12]。他认为, 可以基于核潜艇的圆筒形外观, 将船体建成中微子探测器。这样, 探测器就有超过1000平方米的有效探测面积, 具有足够强的探测能力。当中微子信号从潜艇的一侧进入、从另一侧穿出时, 通过探测中微子与进入点和穿出点附近的海水反应产生的电信号, 可以精确地重建中微子束的方向, 进而获取信息。对于中微子信号发射器, Huber建议将它建造在水中, 利用水体的浮力使其操作更容易, 方便其在发射信号时调整方向。为了检验这一构想, 他建立了一个数据模型, 分析地面指挥部和潜水深度为300米的潜艇通过中微子实现单向通信的情况。经过严密的计算和推导, 根据核潜艇应用实际, 区分白天和夜晚, 对比不同信息传输速度, 他得出利用美国费米实验室的中微子产生装置作为中微子源发射的信号在全球各海域的接收结果 (见表1) 。

　　表1 核潜艇模型在不同的信息传输速率、不同的 时间段, 能够接收到信号的区域占世界总海域的比例[12]

　　2012年初, 美国费米实验室利用NμMI中微子产生器产生的世界上最高强度的中微子束流和170吨重的MINERνA中微子探测器在世界上首次以0.1字节每秒的信息编码速度、百分之一的出错率实现了1035米的中微子通信[13]。图2给出了费米实验室中微子通信实验发射出的信号和接收到的信号的比较, 这两组信号序列基本吻合。这个实验在应用上具有重要意义, 它不仅证实了中微子通信的可行性, 也让人们看到了这一新的通信手段区别于电磁波等传统通信手段的优势——信号有240米是在地下岩石层传播的, 还为后续相关实验在中微子束流和探测器性能上的改进指明了方向。

　　图2 费米实验室中微子通信实验的发射信号 (上) 和接收到的信号 (下) 比较, 发射一帧156字节的信号, 其中92字节的编码信息, 64字节的同步序列[13]

　　3.中微子武器。中微子武器主要用于销毁敌人的核武库。利用高能加速器产生高能中微子束定向照射核材料, 可以将核材料点燃和销毁。2003年, 日本的高能物理学家提出通过制备能量高达一千万亿电子伏的中微子束流, 并将它射向地球上任何一个地方的核武库, 就可摧毁或引爆核弹头, 从而达到阻碍各国发展核武器, 实现核裁军的目的[14]。这种假想的中微子武器采用的基本原理是中微子的弱相互作用性质:一方面, 中微子可以轻易穿越地球屏障, 并穿透核武库的所有保护层;另一方面, 超高能量的中微子束流在传播过程中与周围的物质发生相对较强的相互作用, 沿途产生大量强子。这些高能强子打到核弹头内的钚或铀元素后会触发核裂变反应, 起到点燃核弹头的作用, 从而使之熔化、蒸发或爆炸。2013年, 美国物理学家提出利用加速器制备出能量约为45千兆电子伏或高于此数值的正反中微子束流, 然后使之聚焦到某处核武库, 让束流对撞得以发生在Z粒子共振峰上, 使得反应截面会很大。最后, Z粒子的衰变产物会点燃或引爆核弹头[15]。这两种方案的中微子武器都需要极高能量的中微子束, 以目前的实验技术是难以实现的。此外, 安全性也难以保证。在高能中微子束流的攻击下, 核弹头是否会可控地分解?否则, 一旦引发任何形式的核爆炸, 其后果都与核打击没有区别[16]。

　　四、结论和展望

　　电磁、引力、强和弱是自然界的四种基本相互作用, 自然界中所有现象都因这四种基本相互作用产生。这四种相互作用性质各异, 表现形式各不相同, 被人类认识和利用的难易程度也不一样。电磁相互作用规律是其中最简单、研究得最清楚、也最容易被人类利用来改造世界的自然规律。目前的人类文明主要建立在对它的利用上, 是典型的“电磁文明”。其它三种相互作用结构比电磁相互作用复杂, 应该具有更加丰富的现象。虽然力的大小和作用范围等原因限制了对它们的利用, 但人类利用高度发达的“电磁文明”作为钥匙开启其它相互作用文明大门的努力一直没有停止过。中微子只参与弱和引力相互作用, 对介质的穿透性很强, 不易衰减, 传播速度快, 是信息的绝佳载体, 可以胜任全球点对点无线直联、恒星际或星系团之间以及地面和深海之间电磁波难以完成的通信和探测任务。对中微子的应用有望发展出新的域, 与电磁域形成互补。

　　美国COHERENT实验开启了中微子探测器便携时代的到来, 这会大大推进中微子雷达和中微子通信的应用研究。电磁波探测和通信的一些短板和盲区, 有望因中微子技术的快速发展而得到填补。

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