圖① 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的整體布局。

圖② 110噸重的中微子探測(cè)器正在吊裝入10米深的水池中。

圖③ 中微子探測(cè)器成功安裝在巨型水池之中。

（資料圖片）

在2016年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)憑借其對(duì)我國(guó)粒子物理的巨大貢獻(xiàn)榮獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。此次實(shí)驗(yàn)的成功填補(bǔ)了我國(guó)在中微子這個(gè)基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域的空白，提升了我國(guó)物理學(xué)家的國(guó)際影響力。首次嘗試中微子振蕩研究就取得如此驕人的成績(jī)，這在國(guó)際上都是十分罕見的。那么，什么是中微子振蕩？這次實(shí)驗(yàn)又是如何成功的？且聽《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者向您娓娓道來。

 

“幽靈”粒子 來去無蹤

 

中微子常用符號(hào)ν表示，與帶電輕子、夸克一同被稱為構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子。人們叫它“閃電俠”——中微子質(zhì)量非常輕（小于電子的百萬分之一），以接近光速運(yùn)動(dòng)，具有極強(qiáng)的穿透力，可以輕松穿過地球直徑那么厚的物質(zhì)；人們叫它“獨(dú)行俠”——中微子只參與非常微弱的弱相互作用，在億萬個(gè)中微子中只有個(gè)別會(huì)與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此中微子的檢測(cè)十分困難。它難以琢磨——中微子有大量謎團(tuán)尚未解開，包括它的質(zhì)量大小和起源、磁矩、CP破壞大小等等，卻又無處不在——宇宙中充斥著大量的中微子，大約每立方厘米300個(gè)，大多數(shù)粒子物理和核物理過程中都伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核裂變、核聚變、貝塔衰變等。

中微子在飛行過程中，從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型的現(xiàn)象叫做中微子振蕩，科學(xué)家用三個(gè)混合角來描述三種中微子相互轉(zhuǎn)化時(shí)的振蕩幅度，分別是θ12、θ23、θ13。

1998年的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)和2001年SNO實(shí)驗(yàn)先后測(cè)出混合角θ12、θ23的大小，證實(shí)了中微子有質(zhì)量，并因此獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但第三種振蕩混合角θ13卻遲遲沒有被發(fā)現(xiàn)，直到2012年大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首次公布了對(duì)θ13的精確測(cè)量結(jié)果。“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)得主李政道如是評(píng)價(jià)大亞灣實(shí)驗(yàn)。

大亞灣實(shí)驗(yàn)的科學(xué)意義在于θ13值的確定，使科學(xué)界得以更深入了解中微子的基本特性，預(yù)示著中微子的全部奧秘有望在不遠(yuǎn)的將來被徹底解開。“基礎(chǔ)研究的主要目的是為了認(rèn)識(shí)世界，此次實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著我們對(duì)自然界的發(fā)現(xiàn)又邁出了新的一步，這是我們對(duì)人類作出的貢獻(xiàn)。”大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳說。

除此之外，大亞灣實(shí)驗(yàn)從高精度大型探測(cè)器加工到特殊材料，從化學(xué)化工到高速讀出電子學(xué)，提升了我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平，并培養(yǎng)出一批具有國(guó)際水準(zhǔn)的青年科研人員，為我國(guó)基礎(chǔ)物理研究的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

 

追求完美 搶占先機(jī)

 

2003年前后，來自不同國(guó)家的科學(xué)家們共提出8個(gè)可能測(cè)出θ13的實(shí)驗(yàn)方案，其中就包括大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)方案。如何在與美國(guó)、日本、歐洲等經(jīng)驗(yàn)豐富團(tuán)隊(duì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出？

“取勝的第一點(diǎn)原因是，我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精度比別人高。”王貽芳告訴記者，大亞灣實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度比過去的實(shí)驗(yàn)高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)，在8個(gè)國(guó)際同類方案中精度是最高的。“我們要為世界提供一個(gè)最精確的振蕩參數(shù)，要做就做到極致。”王貽芳說。

“其次，我們的方案設(shè)計(jì)有優(yōu)勢(shì)、有創(chuàng)新。”王貽芳說，大亞灣實(shí)驗(yàn)采用遠(yuǎn)近相對(duì)測(cè)量方法，在反應(yīng)堆附近和距反應(yīng)堆2000米左右的地方各放一個(gè)探測(cè)器。如此一來，便能夠部分抵消探測(cè)效率、靶的有效體積、靶核數(shù)目和能量測(cè)量等與探測(cè)器相關(guān)的誤差，提高實(shí)驗(yàn)靈敏度。

此外，大亞灣實(shí)驗(yàn)還創(chuàng)造性地在一個(gè)實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)放置多個(gè)相同的探測(cè)器，這是國(guó)際上唯一采用這種設(shè)計(jì)方法的中微子實(shí)驗(yàn)。多個(gè)全同探測(cè)器的測(cè)量便于比較，使實(shí)驗(yàn)誤差又降低了“根號(hào)n倍”。

在實(shí)驗(yàn)廳位置的選擇上，設(shè)計(jì)者們也花費(fèi)一番心思。為了解決遠(yuǎn)近點(diǎn)探測(cè)器放置位置、宇宙射線產(chǎn)生本底、山體覆蓋厚度等問題，科學(xué)家們將1:5000的數(shù)字化地形測(cè)量圖予以轉(zhuǎn)換，得到山體輪廓，在平面圖上以50米為一格，比較了3個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳移動(dòng)到不同位置時(shí)測(cè)量θ13的靈敏度，定量地計(jì)算出不同因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而確定大亞灣實(shí)驗(yàn)的總體布局。

“如果要取得成功，所有的事情都得做對(duì)。”大亞灣實(shí)驗(yàn)擁有最大的反應(yīng)堆功率、最合適的遠(yuǎn)點(diǎn)基線、最大的探測(cè)器質(zhì)量以及最深的巖石覆蓋。再加上科學(xué)家們力求卓越的設(shè)計(jì)理念、精益求精的研究態(tài)度，讓實(shí)驗(yàn)在測(cè)量精度、靈活度以及可靠性上都達(dá)到了前所未有的高度，使得大亞灣實(shí)驗(yàn)成為“中國(guó)有史以來最重要的物理學(xué)成果”。

 

技術(shù)創(chuàng)新 攻克難關(guān)

 

液體閃爍體（下文簡(jiǎn)稱液閃）是中微子實(shí)驗(yàn)使用的探測(cè)介質(zhì)，釓是一種稀土元素，在液閃中摻釓可以放大關(guān)聯(lián)信號(hào)，提高探測(cè)精度。但如何在液閃中摻釓并保持其穩(wěn)定性是大亞灣實(shí)驗(yàn)的重中之重，也是難以突破的瓶頸。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副經(jīng)理曹俊告訴記者，把無機(jī)物釓摻到由有機(jī)物組成的液閃中，由于不相溶，釓便會(huì)析出，導(dǎo)致液閃無法有效地探測(cè)。“將化學(xué)技術(shù)與核物理相結(jié)合，這種跨界研發(fā)確實(shí)比較困難。”曹俊說。

高能所化學(xué)專家張智勇告訴曹俊可以將釓變成有機(jī)的釓絡(luò)合物，從而提高其在有機(jī)液閃中的溶解度。通過多次實(shí)驗(yàn)，嘗試了多種配體用來生成釓的絡(luò)合物，最終發(fā)現(xiàn)，異壬酸與釓反應(yīng)生成的絡(luò)合物進(jìn)入液閃后對(duì)液閃的透明度和光產(chǎn)額等沒有明顯影響，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。

與此同時(shí)，美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在攻克摻釓液閃穩(wěn)定性的難題，并對(duì)高能所的配方心存疑慮。“這是完全可以理解的，我們彼此相互交換樣品測(cè)試，都覺得有一定的可行性，但最終用誰的一直相持不下。”王貽芳說。

作為捕獲中微子的核心物質(zhì)，摻釓液閃一旦出現(xiàn)問題，整個(gè)實(shí)驗(yàn)都將功虧一簣。中美雙方分別提供樣品，由位于香港大學(xué)的第三方實(shí)驗(yàn)室開展光學(xué)性能和穩(wěn)定性的測(cè)量。最終，高能所研制的摻釓液閃完美地通過了考核，其配方和工藝為大亞灣實(shí)驗(yàn)的順利完成立下了汗馬功勞。

技術(shù)難關(guān)被攻克以后，大規(guī)模生產(chǎn)又給大亞灣的科學(xué)工作者們出了一道難題。為了防止金屬進(jìn)入液閃中影響摻釓液閃穩(wěn)定性，所有與液閃接觸的部分都要使用有機(jī)玻璃和氟塑料，這就給加工、生產(chǎn)以及運(yùn)輸帶來了很大的困難。

實(shí)驗(yàn)所需的摻釓液閃分50個(gè)批次生產(chǎn)，整個(gè)過程中，現(xiàn)場(chǎng)人員層層把關(guān)、步步小心，通過合理的分工、密切的合作以及不辭勞苦地晝夜奮斗，終于在不到兩個(gè)半月的時(shí)間內(nèi)就完成了50個(gè)批次的全部生產(chǎn)工作，重復(fù)性非常好。時(shí)至今日，大亞灣實(shí)驗(yàn)已經(jīng)運(yùn)行數(shù)年，摻釓液閃依然很穩(wěn)定，完全滿足取數(shù)要求。

 

展望未來 國(guó)際領(lǐng)先

 

大亞灣實(shí)驗(yàn)在測(cè)量θ13數(shù)值中拔得頭籌，使得我國(guó)中微子物理研究向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一大步。但是，中微子世界還有許多未解之謎有待探索和解答。“目前中微子研究一個(gè)很重要的方向是測(cè)量其質(zhì)量順序，這也是江門中微子實(shí)驗(yàn)的首要科學(xué)目標(biāo)。”王貽芳介紹說。

江門中微子的實(shí)驗(yàn)原理與大亞灣實(shí)驗(yàn)相同，即用液閃探測(cè)器探測(cè)反應(yīng)堆中微子，但難度大得多。一方面，為了測(cè)到足夠多的中微子，探測(cè)器的有效質(zhì)量需達(dá)2萬噸；另一方面，為了保證測(cè)到的數(shù)據(jù)足夠精確，在倍增能量精度的同時(shí)還要盡可能地提高光子轉(zhuǎn)化成電子的效率（稱為量子效率）。

對(duì)此，高能所的科學(xué)家們集思廣益，為江門中微子實(shí)驗(yàn)出謀劃策。首先，設(shè)計(jì)了目前世界上尺寸、規(guī)模最大的中微子探測(cè)器；其次，將用于接受光子的光電倍增管覆蓋全部探測(cè)器，使其排布效率達(dá)到極限；最后，高能所的科學(xué)家們與多家研究院所、企業(yè)合作，經(jīng)過多年努力，終于研發(fā)出一種新型的高量子效率光電倍增管，并將用于江門中微子實(shí)驗(yàn)。

江門中微子實(shí)驗(yàn)于2013年立項(xiàng)，預(yù)計(jì)2020年運(yùn)行取數(shù),大約運(yùn)行5年后可以給出中微子質(zhì)量順序的確切答案。該實(shí)驗(yàn)不僅能測(cè)量中微子質(zhì)量順序，還將精確測(cè)量中微子振蕩的6個(gè)基本參數(shù)中的3個(gè)至優(yōu)于1%精度的國(guó)際最高水平，以檢測(cè)中微子混合的幺正性、尋找新物理，并可以在超新星中微子、地球中微子、太陽中微子、暗物質(zhì)尋找、質(zhì)子衰變等方面作出貢獻(xiàn)。“在完成首要科學(xué)目標(biāo)以后，我們還計(jì)劃對(duì)江門中微子實(shí)驗(yàn)做出進(jìn)一步的升級(jí)改造，以研究中微子是否是自身的反粒子。”王貽芳說。

下一代中微子實(shí)驗(yàn)還包括韓國(guó)的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)、美國(guó)的加速器中微子實(shí)驗(yàn)以及其在南極的大氣中微子實(shí)驗(yàn)、法國(guó)在地中海的大氣中微子實(shí)驗(yàn)等。中微子世界的未解之謎正是我國(guó)粒子物理實(shí)現(xiàn)跨越式高速發(fā)展、達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的助推器。

 

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看神秘粒子如何“振蕩”世界

圖文簡(jiǎn)介

什么是中微子振蕩？這次實(shí)驗(yàn)又是如何成功的？且聽《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者向您娓娓道來。