探测被藏匿的核武器

责任编辑：廖红艳

未来，研究人员能通过探测核裂变过程中释放的反中微子，找到被藏匿的核武器。

撰文 杰西·埃姆斯帕克（Jesse Emspak）翻译 张哲

2008年，卫星拍摄的朝鲜宁边核设施，观察人士认为该设施已经生产了用于制造核武器的钚元素。放大图摄于2015年，展示了一个反应堆的结构。

想象一下这个场景。2030年，争执多年后，朝鲜领导人终于同意停止生产用于制造核武器的钚元素，并销毁库存。朝鲜官方还邀请核查人员来观看销毁过程——这些核燃料被装入反应堆，生成无法用于生产核武器的产物。但是，朝鲜秘密地将一些钚元素运走，代替这些钚元素进入反应堆的，其实是一些低品位的铀元素。铀元素释放的辐射包括中微子和反中微子——这些无害、较轻的亚原子粒子仿佛幽灵一般，甚至可以穿透铅和石头。由于怀疑朝鲜方面做了手脚，国际机构在朝鲜的反应堆旁边放了一台SUV大小的设备。没过几个月，怀疑得到了确认，而证据就是来自反应堆的反中微子流。

随着粒子物理工具被用于阻止非法核项目，上述场景可能在未来成为现实。预印本文献库arXiv.org近期公布了一篇文章，描述了如何建造反中微子探测器，以便在数月内确定一个反应堆中是否使用了武器级的核燃料。

鉴于朝鲜在导弹技术上的发展，以及伊朗已经有能力开展自己的核武器项目，确认是否存在非法核项目成了当务之急，因此也愈发需要这样的检测手段。今年3月，美国国务卿雷克斯·蒂勒森（Rex Tillerson）称，只在外交上施压已经行不通了，他呼吁“改变措施”以遏制朝鲜的核武器野心。

反中微子是核裂变（指放射性元素的原子核分裂成更轻元素的过程）的一个副产物。放射性元素，除了裂变，还会发生β衰变，要么释放出一个正电子和一个中微子，要么释放出一个电子和一个反中微子。而反中微子正是那个“泄密者”，因为只有核燃料中的放射性元素会稳定、大量释放出这种粒子。

基于探测反中微子的核监测促使美国发起了一项名为“水－切伦科夫反中微子监测器”（WATer CHerenkov Monitor for ANtineutrinos，WATCHMAN）、简称“守护者”的项目。设备中包含一个罐，装有数千吨含钆元素的水，理论上能够检测到1000千米内的非法核反应堆。从外交上说，要求一个戒备心强的国家允许核查人员在重兵保护的设备边上建一个巨型水罐是很难的，因此远距离检测会更方便可行。

一个反中微子撞击一个质子（即水罐中水分子的氢原子核），会转变成一个中子和一个正电子。该正电子运动速度很快，会释放出切伦科夫辐射。正如物体运动速度超过音速时会产生声震，切伦科夫辐射相当于一个带电粒子在某些介质中的速度超过光速时产生的“光爆”。虽然没有任何物质的速度可以超过真空中的光速，但是在水、玻璃或者空气等其他介质中，光的传播速度会慢一些，能被超过。因此，来自中微子的正电子会在水罐中产生一束光。与此同时，水中的钆元素会吸收中子，该过程又会释放出一束光。只要检测到这种特异性的双光束，就能证实核反应堆的存在，并且还可以指出其所在方位。

尽管“守护者”设备可以判断反应堆是否在运转及其方位，但是无法确定反应堆的燃料组成，比如高浓缩钚和铀的比例。“守护者”项目的参与者、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的博士后研究员帕特里克·雅夫克（Patrick Jaffke）建议，可以在反应堆旁边安装体积较小的设备，通过分析反中微子活动来确定核燃料的类型。他的设计方案能够测量第一束切伦科夫光的光谱和光型，从而确定反中微子产生的正电子的能量。通过绘制这些正电子的能量分布图，核查人员就能推测反应堆核心中某种燃料释放的反中微子总量。

雅夫克还建议使用塑料或其他表面有很多质子的烷烃来代替水，以提高反中微子的撞击几率，大幅缩小设备体积。这样一来探测器就可以放在反应堆几十米内了。

不过即便设备体积缩小后，还是需要解决背景噪音的问题。比如，宇宙辐射也会产生看起来和中微子反应类似的中子。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的史蒂文·达泽利（Steven Dazeley）称，把反中微子探测器放在地下5至10米，且非常靠近反应堆的位置就可以解决这个问题。2016年，达泽利曾领导了一个项目，分析“守护者”会遇到的噪音干扰。此外，在探测器周围安装屏蔽设备也能起到一定的作用。

在另一些构想中，屏蔽措施几乎不需要或根本不需要。美国以外的多个团队为了物理研究，也在开发探测中微子和反中微子的技术，他们也许能助一臂之力。

雅夫克说：“科学家已经花了很长时间寻找反中微子的实际用途，而使用这些粒子来探测武器级的核燃料是最酷的一个。”不过，我们希望它一无所获。