責任編輯：廖紅艷

未來，研究人員能通過探測核裂變過程中釋放的反中微子，找到被藏匿的核武器。

撰文 杰西·埃姆斯帕克（Jesse Emspak）翻譯 張哲

2008年，衛(wèi)星拍攝的朝鮮寧邊核設施，觀察人士認為該設施已經(jīng)生產(chǎn)了用于制造核武器的钚元素。放大圖攝于2015年，展示了一個反應堆的結構。

想象一下這個場景。2030年，爭執(zhí)多年后，朝鮮領導人終于同意停止生產(chǎn)用于制造核武器的钚元素，并銷毀庫存。朝鮮官方還邀請核查人員來觀看銷毀過程——這些核燃料被裝入反應堆，生成無法用于生產(chǎn)核武器的產(chǎn)物。但是，朝鮮秘密地將一些钚元素運走，代替這些钚元素進入反應堆的，其實是一些低品位的鈾元素。鈾元素釋放的輻射包括中微子和反中微子——這些無害、較輕的亞原子粒子仿佛幽靈一般，甚至可以穿透鉛和石頭。由于懷疑朝鮮方面做了手腳，國際機構在朝鮮的反應堆旁邊放了一臺SUV大小的設備。沒過幾個月，懷疑得到了確認，而證據(jù)就是來自反應堆的反中微子流。

隨著粒子物理工具被用于阻止非法核項目，上述場景可能在未來成為現(xiàn)實。預印本文獻庫arXiv.org近期公布了一篇文章，描述了如何建造反中微子探測器，以便在數(shù)月內(nèi)確定一個反應堆中是否使用了武器級的核燃料。

鑒于朝鮮在導彈技術上的發(fā)展，以及伊朗已經(jīng)有能力開展自己的核武器項目，確認是否存在非法核項目成了當務之急，因此也愈發(fā)需要這樣的檢測手段。今年3月，美國國務卿雷克斯·蒂勒森（Rex Tillerson）稱，只在外交上施壓已經(jīng)行不通了，他呼吁“改變措施”以遏制朝鮮的核武器野心。

反中微子是核裂變（指放射性元素的原子核分裂成更輕元素的過程）的一個副產(chǎn)物。放射性元素，除了裂變，還會發(fā)生β衰變，要么釋放出一個正電子和一個中微子，要么釋放出一個電子和一個反中微子。而反中微子正是那個“泄密者”，因為只有核燃料中的放射性元素會穩(wěn)定、大量釋放出這種粒子。

基于探測反中微子的核監(jiān)測促使美國發(fā)起了一項名為“水－切倫科夫反中微子監(jiān)測器”（WATer CHerenkov Monitor for ANtineutrinos，WATCHMAN）、簡稱“守護者”的項目。設備中包含一個罐，裝有數(shù)千噸含釓元素的水，理論上能夠檢測到1000千米內(nèi)的非法核反應堆。從外交上說，要求一個戒備心強的國家允許核查人員在重兵保護的設備邊上建一個巨型水罐是很難的，因此遠距離檢測會更方便可行。

一個反中微子撞擊一個質(zhì)子（即水罐中水分子的氫原子核），會轉(zhuǎn)變成一個中子和一個正電子。該正電子運動速度很快，會釋放出切倫科夫輻射。正如物體運動速度超過音速時會產(chǎn)生聲震，切倫科夫輻射相當于一個帶電粒子在某些介質(zhì)中的速度超過光速時產(chǎn)生的“光爆”。雖然沒有任何物質(zhì)的速度可以超過真空中的光速，但是在水、玻璃或者空氣等其他介質(zhì)中，光的傳播速度會慢一些，能被超過。因此，來自中微子的正電子會在水罐中產(chǎn)生一束光。與此同時，水中的釓元素會吸收中子，該過程又會釋放出一束光。只要檢測到這種特異性的雙光束，就能證實核反應堆的存在，并且還可以指出其所在方位。

盡管“守護者”設備可以判斷反應堆是否在運轉(zhuǎn)及其方位，但是無法確定反應堆的燃料組成，比如高濃縮钚和鈾的比例?！笆刈o者”項目的參與者、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的博士后研究員帕特里克·雅夫克（Patrick Jaffke）建議，可以在反應堆旁邊安裝體積較小的設備，通過分析反中微子活動來確定核燃料的類型。他的設計方案能夠測量第一束切倫科夫光的光譜和光型，從而確定反中微子產(chǎn)生的正電子的能量。通過繪制這些正電子的能量分布圖，核查人員就能推測反應堆核心中某種燃料釋放的反中微子總量。

雅夫克還建議使用塑料或其他表面有很多質(zhì)子的烷烴來代替水，以提高反中微子的撞擊幾率，大幅縮小設備體積。這樣一來探測器就可以放在反應堆幾十米內(nèi)了。

不過即便設備體積縮小后，還是需要解決背景噪音的問題。比如，宇宙輻射也會產(chǎn)生看起來和中微子反應類似的中子。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory）的史蒂文·達澤利（Steven Dazeley）稱，把反中微子探測器放在地下5至10米，且非?？拷磻训奈恢镁涂梢越鉀Q這個問題。2016年，達澤利曾領導了一個項目，分析“守護者”會遇到的噪音干擾。此外，在探測器周圍安裝屏蔽設備也能起到一定的作用。

在另一些構想中，屏蔽措施幾乎不需要或根本不需要。美國以外的多個團隊為了物理研究，也在開發(fā)探測中微子和反中微子的技術，他們也許能助一臂之力。

雅夫克說：“科學家已經(jīng)花了很長時間尋找反中微子的實際用途，而使用這些粒子來探測武器級的核燃料是最酷的一個。”不過，我們希望它一無所獲。