2012年3月8日，一個(gè)值得中國科技界銘記的日子。14時(shí)15分，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組發(fā)言人王貽芳在北京宣布，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，并測量到其振蕩幾率。這一消息在國際高能物理界引起熱烈反響，有評論認(rèn)為該成果將是中微子物理的一個(gè)里程碑。這一重要成果對于最終揭開宇宙起源和演化之謎有著重大意義。對中微子前兩種振蕩模式的研究曾獲得2002年諾貝爾獎(jiǎng)。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家王貽芳報(bào)告實(shí)驗(yàn)成果

中微子第三種振蕩模式，還在和全世界物理學(xué)家捉迷藏

人類在19世紀(jì)初已經(jīng)認(rèn)識(shí)到“建造”物質(zhì)世界的“磚塊”叫原子，共有100多種。到20世紀(jì)初科學(xué)家們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，原子都是由質(zhì)子、中子和電子的不同組合構(gòu)成的。待到今天，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子、中子和電子還不是基本的粒子，構(gòu)成它們的是更小的夸克和輕子。其中夸克有6種，輕子也有6種。這12種粒子才是物質(zhì)世界最小的“磚塊”。

中微子屬于輕子，不帶電，質(zhì)量極其微小，以光的速度飛行。它共有三種類型，即電子中微子、μ中微子和τ中微子，在目前已知的構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子中，占了四分之一，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中同時(shí)扮演著極為重要的角色。

中微子身懷“變身術(shù)”，它可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，通常稱為中微子振蕩。原則上三種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，應(yīng)該有三種模式。三種振蕩的量化描述，就是θ12、θ23和θ13。

前兩種模式自60年代起即有跡象，當(dāng)時(shí)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，隨后太陽中微子振蕩也被多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。唯有代表第三種振蕩模式的θ13，一直在和全世界的物理學(xué)家們玩捉迷藏，甚至有理論預(yù)言其根本不存在（即其振蕩幾率為零）。正因?yàn)槿绱耍瑴y量出θ13，也就成了大亞灣實(shí)驗(yàn)以及其他同類實(shí)驗(yàn)的奮斗方向。

中國高能物理學(xué)會(huì)理事長趙光達(dá)院士表示，“θ13不僅是物理學(xué)中的一個(gè)基本參數(shù)，其數(shù)值的大小也對未來中微子物理的發(fā)展方向起著決定性的作用。如果它足夠大，我們就能進(jìn)行下一代實(shí)驗(yàn)來測量中微子振蕩中的宇稱和電荷對稱性破壞，以理解宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象，即宇宙中‘反物質(zhì)消失之謎’。否則我們就不知道如何進(jìn)行下一代實(shí)驗(yàn)”。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)布局圖

為捕獲神秘的中微子蹤跡，大亞灣布下“天羅地網(wǎng)”

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)位于深圳市區(qū)以東約50公里的大亞灣核電站群附近的山洞內(nèi)，地理位置優(yōu)越，緊鄰世界上最大的核反應(yīng)堆群之一的大亞灣核電站與嶺澳核電站，并且緊鄰高山，有天然的宇宙線屏蔽。

建設(shè)中的實(shí)驗(yàn)大廳

2003年，中科院高能所的科研人員提出實(shí)驗(yàn)和探測器設(shè)計(jì)的總體方案，利用我國大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩，其振蕩幾率用sin22θ13表示。

大亞灣實(shí)驗(yàn)的原理是這樣的：第一，核反應(yīng)堆每天產(chǎn)生1026個(gè)反中微子，它們從核燃料棒中飛出，穿過實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，極少數(shù)（1000個(gè)左右）會(huì)跟質(zhì)子發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生光子和中子；中子還會(huì)跟探測液體反應(yīng)，放出光子。這些閃光會(huì)被記錄下來。

第二，距離燃料棒較近處和較遠(yuǎn)處的探測器，如果讀數(shù)差別明顯，就說明中微子在從近到遠(yuǎn)的1000多米“變身”了。且根據(jù)能量譜線的變形規(guī)律，可推斷出θ13的大小。

工程2006年獲得批準(zhǔn)立項(xiàng)，2007年10月破土動(dòng)工。整個(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃建設(shè)總長3公里的隧道和3個(gè)地下實(shí)驗(yàn)大廳，其中兩個(gè)近廳各放置兩個(gè)中微子探測器，遠(yuǎn)廳放置4個(gè)探測器，共8個(gè)全同的中微子探測器。每個(gè)探測器5米高，5米直徑，重110噸，均置于10米深的水池中。

中國科學(xué)院數(shù)理學(xué)部主任、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)副主任沈文慶院士表示，“大亞灣實(shí)驗(yàn)采用了一系列創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)思想，其設(shè)計(jì)指標(biāo)和精度國際最高，設(shè)計(jì)方案和研制工藝先進(jìn)，在探測器模塊化、可移動(dòng)、采用反射板、摻釓液體閃爍體等多項(xiàng)設(shè)計(jì)與技術(shù)方面具有獨(dú)創(chuàng)性，達(dá)到和超過了世界先進(jìn)水平”。

聽說大亞灣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獨(dú)特，加上環(huán)境得天獨(dú)厚，美國能源部主動(dòng)放棄了自己的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，轉(zhuǎn)而加入中國的大亞灣實(shí)驗(yàn)。這也是美國高能物理在海外的第二大投資。

很快，在王貽芳等人的聯(lián)絡(luò)下，大亞灣項(xiàng)目成了一個(gè)有7個(gè)經(jīng)費(fèi)來源，合作單位達(dá)38個(gè)，250位科學(xué)家參加的大科學(xué)工程。

大亞灣實(shí)驗(yàn)得到了科技部、中科院、國家自然科學(xué)基金委、廣東省、深圳市和中國廣東核電集團(tuán)的支持，6家單位共同出資1.57億元人民幣，加上美國能源部出資3400萬美元（折合項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)費(fèi)8000萬人民幣），大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)成為中國基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域最大的國際合作項(xiàng)目。

在這一規(guī)模龐大的國際合作項(xiàng)目中，中國的科學(xué)家們無疑作出了最重要的貢獻(xiàn)，他們的創(chuàng)新實(shí)力和實(shí)驗(yàn)成果，為中國的高能物理界爭得了榮譽(yù)。

巧妙設(shè)計(jì)爭分奪秒，大亞灣實(shí)驗(yàn)組搶先撞線

用反應(yīng)堆中微子測量θ13科學(xué)意義重大，國際上在2003年左右先后有7個(gè)國家提出了8個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，最終進(jìn)入建設(shè)階段的共有3個(gè)，包括中國的大亞灣實(shí)驗(yàn)，法國的Double Chooz實(shí)驗(yàn)和韓國的RENO實(shí)驗(yàn)。

考慮到國際競爭的激烈和施工難度的復(fù)雜，王貽芳巧妙地將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成多個(gè)中微子探測器模塊。不建造一個(gè)大的整體探測器（一般認(rèn)為只有體積大才能提高探測的精度），而是做成幾個(gè)小的、模塊化的探測器，這是中國人的首創(chuàng)。它不僅便于實(shí)驗(yàn)中探測器的遠(yuǎn)近點(diǎn)交換，而且也減小了探測器的體積，可使隧道截面不至于過大，便于安裝。

中微子探測器成功安裝在巨型水池之中

事實(shí)證明了這個(gè)想法的有效。大亞灣的工程建設(shè)雖然在完工時(shí)間上晚于韓國，但探測器體積小，在洞外已安裝完畢，運(yùn)到地下大廳，稍加調(diào)試就可以取數(shù)工作。而韓國卻要將各種零部件拆解后運(yùn)到地下，并且在地下組裝，這無形中耽誤了不少時(shí)間。

2010年12月，大亞灣實(shí)驗(yàn)完成核電站附近的全部爆破任務(wù)，2011年中逐步完成了探測器的建造與安裝，2011年8月開始近點(diǎn)取數(shù)，12月24日開始遠(yuǎn)近點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行。

作為全球唯一采用同一實(shí)驗(yàn)室多模塊探測器的中微子實(shí)驗(yàn)，大亞灣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是使實(shí)驗(yàn)誤差降低了“根號n倍”——在遠(yuǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝了4個(gè)探測器，使探測誤差降了2倍，在近點(diǎn)設(shè)計(jì)安裝了2個(gè)探測器，使誤差降低了1.4倍。

3號實(shí)驗(yàn)廳于2011年12月24日開始運(yùn)行

為搶在競爭對手之前獲得物理結(jié)果，科研人員將實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，這次報(bào)告的結(jié)果就來自第一階段的數(shù)據(jù)，自2011年12月24日起至2012年2月17日結(jié)束，只用了6個(gè)中微子探測器，其中2個(gè)在大亞灣近廳，1個(gè)在嶺澳近廳，3個(gè)在遠(yuǎn)廳。經(jīng)過大家夜以繼日的努力，完成了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取、質(zhì)量檢查、刻度、修正和數(shù)據(jù)分析。結(jié)果表明，sin22θ13為9.2%，誤差為1.7%，以超過5倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差確定sin22θ13不為零，首次發(fā)現(xiàn)了這種新的中微子振蕩模式。在中科院高能所宣布實(shí)驗(yàn)結(jié)果后3周，韓國同行發(fā)布了類似的結(jié)果。

論證4年，施工3年，安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)施1年，取數(shù)55天，分析只用半個(gè)月，這就是大亞灣實(shí)驗(yàn)迄今的歷程。正是實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)階段的不分晝夜、無假期和16個(gè)小時(shí)工作制，以及實(shí)驗(yàn)階段的巧妙構(gòu)思，奪回了時(shí)間，讓大亞灣實(shí)驗(yàn)組搶先撞線。

    192個(gè)8英寸光電倍增管安裝在緊貼鋼罐內(nèi)壁的支架上，用于探測中微子俘獲時(shí)發(fā)出的光信號

大亞灣實(shí)驗(yàn)將中國的中微子研究帶入了國際前沿，極大提升了中國在探測器設(shè)計(jì)和建造方面的國際聲譽(yù)，并且提高了中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的水平。

工程建造的中心探測器（鋼罐），直徑5米、高5米，而其壁厚僅1厘米，變形還要控制在1毫米之內(nèi)，這些鋼罐是國產(chǎn)的。

“這是中微子物理的一個(gè)里程碑”

θ13，被精確測量，而且數(shù)值較大，這振奮了國際高能物理界。

成果宣布后，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主李政道給中科院高能所發(fā)來郵件，表示“這是物理學(xué)上具有重要基礎(chǔ)意義的一項(xiàng)重大成就”。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主卡羅·魯比亞教授也致信祝賀：“我剛看到了大亞灣的漂亮結(jié)果，為這一卓越的成功向你們表示祝賀”。

國際中微子研究領(lǐng)域的其他實(shí)驗(yàn)組也就此重大成果致信高能所，表示這一成果將對他們進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和下一代中微子實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生重要影響。美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室物理部主任哈利·維爾茨教授表示：“現(xiàn)在，我們終于可以更精確地部署未來的中微子研究計(jì)劃了。”美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室ｇ-2實(shí)驗(yàn)發(fā)言人說：“這的確是一項(xiàng)令人激動(dòng)的成果。它將對美國的長基線中微子項(xiàng)目建議產(chǎn)生重大影響。”意大利OPERA實(shí)驗(yàn)發(fā)言人表示：“這是中微子物理的一個(gè)里程碑”。

美國《科學(xué)》雜志在線版“科學(xué)此刻”欄目發(fā)表文章《中國物理學(xué)家完成一項(xiàng)關(guān)鍵的中微子參數(shù)測量》，評價(jià)說：“此次成果完成了一幅中微子的概念圖，這為‘中微子與反中微子行為間不對稱’的實(shí)驗(yàn)鋪平了道路，將可以解釋為何現(xiàn)在的宇宙中有如此多的物質(zhì)，卻只有那么一丁點(diǎn)兒的反物質(zhì)這一問題。”

在這一重大成果基礎(chǔ)之上，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)還將繼續(xù)完善探測器布局，進(jìn)一步提高測量精度，鞏固競爭優(yōu)勢，爭取更大的科學(xué)新突破。

 

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大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式

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2012年3月8日，一個(gè)值得中國科技界銘記的日子。