大亞灣實(shí)驗(yàn)是一個中微子“消失”的實(shí)驗(yàn)

2017/1/16 13:41:02

其中兩種模式自60年代起即有跡象，當(dāng)時稱作“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年，日本的超級神岡實(shí)驗(yàn)正式發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩，2002年，太陽中微子振蕩也被多個實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這兩項(xiàng)成果被授予2015 年諾貝爾物理學(xué)獎。但第三種振蕩則一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在（即其振蕩幾率為零）。大亞灣實(shí)驗(yàn)便是瞄準(zhǔn)了遲遲未能找到的θ13。

2012年3月8日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳在北京宣布： 大亞灣實(shí)驗(yàn)以5.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的置信度（>99.9999%）測得中微子混合角θ13不為零，首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式。這一中國誕生的重大物理成果，開啟了未來中微子物理發(fā)展的大門，在全球科學(xué)界引起熱烈反響。美國《科學(xué)》雜志將其評為2012 年十大科學(xué)突破之一，并稱“如果大型強(qiáng)子對撞機(jī)的研究人員沒有發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未來，大亞灣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能就是標(biāo)志著這一領(lǐng)域起飛的時刻”。

大亞灣實(shí)驗(yàn)是一個中微子“消失”的實(shí)驗(yàn)，位于廣東省深圳市大亞灣。之所以選擇大亞灣，除了臨近大亞灣和嶺澳核電站、是理想的中微子源外，還因?yàn)槟抢锏牡匦芜m合屏蔽其他粒子。大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2007年10月動工，到2011年中期先后完成探測器的建造與安裝，并在8月開始近點(diǎn)取數(shù)，12月下旬開始遠(yuǎn)近點(diǎn)同時運(yùn)行。

大亞灣核電站一共有6 個核反應(yīng)堆，而中微子實(shí)驗(yàn)有3 個地下實(shí)驗(yàn)室大廳，其中兩個靠近反應(yīng)堆（分別為 470 米和 576 米），一個遠(yuǎn)離反應(yīng)堆，距離為 1648 米。該實(shí)驗(yàn)延續(xù)了1956年費(fèi)雷德里克˙萊茵斯等人發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)的血脈，同樣通過探測中微子和質(zhì)子的反應(yīng)來研究中微子。雖是基于相同的物理原理，實(shí)驗(yàn)技術(shù)卻經(jīng)過了半個世紀(jì)的進(jìn)化。精度是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵詞，運(yùn)用了能量分辨更好的液體閃爍體來捕捉中微子的信號，并在3個實(shí)驗(yàn)廳建造了8個探測器，每臺高5米、直徑5米、重110噸，安置于10米深的水池中。由于周圍緊鄰的核反應(yīng)堆會產(chǎn)生海量的電子反中微子，近探測器探測到的中微子數(shù)目，與遠(yuǎn)探測器探測到的中微子數(shù)目會有不同，這個不同可以用來測量反中微子 “消失” 率，從而計(jì)算出混合角 。

2015年9月11日，繼發(fā)現(xiàn)轟動世界科學(xué)界的中微子新的震蕩模式后，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目又在《物理評論快報(bào)》發(fā)表了中微子測量的最新結(jié)果，將中微子混合角θ13和中微子質(zhì)量平方差的測量精度都提高了近一倍，為世界最高精度。

大亞灣實(shí)驗(yàn)合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣的38個研究機(jī)構(gòu)、約270名研究人員組成。其中約150人來自境內(nèi)單位的16個高校和研究所。

“因在中微子振蕩上的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)與探索，揭示了超越甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新前沿”，大亞灣實(shí)驗(yàn)合作組及其負(fù)責(zé)人與另外4個實(shí)驗(yàn)組分享了2016年度基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎。

這是一場國際賽跑。2003年以來，有7個國家先后提出了8個實(shí)驗(yàn)方案利用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)測量θ13，最終投入建造的有3個，包括中國大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國Double Chooz實(shí)驗(yàn)、和韓國RENO實(shí)驗(yàn)。

“韓國科學(xué)家的結(jié)果只比我們晚了25天�！蓖踬O芳說。截至目前，大亞灣實(shí)驗(yàn)首次報(bào)道測量θ13的文章被引用上千次，成為高能物理研究的經(jīng)典文獻(xiàn)之一。

但中微子的關(guān)鍵未解之謎還有很多。比如，中微子的絕對質(zhì)量是多少？惰性中微子存在嗎？中微子究竟是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子？除了大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)繼續(xù)提高精度外，王貽芳正在主持的中國第二個大型中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——江門中微子實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開建，預(yù)計(jì)在2020年進(jìn)行取數(shù)工作。

“江門中微子實(shí)驗(yàn)將致力于測量中微子的質(zhì)量順序，并進(jìn)一步精確測量中微子混合參數(shù)，其土建工程規(guī)模約是大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的3至5倍�！� 王貽芳稱。由于有了大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的鋪墊，江門中微子實(shí)驗(yàn)的審批難度低了一些，但技術(shù)挑戰(zhàn)卻并未減少。

“精度越高，能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容就越多，或許就差那么一點(diǎn)點(diǎn)，我們就會錯失認(rèn)識世界的機(jī)會。”中科院高能物理研究所曹俊研究員說。