大亞灣實驗是一個中微子“消失”的實驗

2017/1/16 13:41:02

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

2012年3月8日，大亞灣反應堆中微子實驗發言人、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳在北京宣布： 大亞灣實驗以5.2倍標準偏差的置信度（>99.9999%）測得中微子混合角θ13不為零，首次實驗發現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展的大門，在全球科學界引起熱烈反響。美國《科學》雜志將其評為2012 年十大科學突破之一，并稱“如果大型強子對撞機的研究人員沒有發現標準模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未來，大亞灣的實驗結果可能就是標志著這一領域起飛的時刻”。

大亞灣實驗是一個中微子“消失”的實驗，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，還因為那里的地形適合屏蔽其他粒子。大亞灣實驗項目于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月開始近點取數，12月下旬開始遠近點同時運行。

大亞灣核電站一共有6 個核反應堆，而中微子實驗有3 個地下實驗室大廳，其中兩個靠近反應堆（分別為 470 米和 576 米），一個遠離反應堆，距離為 1648 米。該實驗延續了1956年費雷德里克˙萊茵斯等人發現中微子實驗的血脈，同樣通過探測中微子和質子的反應來研究中微子。雖是基于相同的物理原理，實驗技術卻經過了半個世紀的進化。精度是大亞灣中微子實驗的關鍵詞，運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個實驗廳建造了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堆會產生海量的電子反中微子，近探測器探測到的中微子數目，與遠探測器探測到的中微子數目會有不同，這個不同可以用來測量反中微子 “消失” 率，從而計算出混合角 。

2015年9月11日，繼發現轟動世界科學界的中微子新的震蕩模式后，大亞灣中微子實驗項目又在《物理評論快報》發表了中微子測量的最新結果，將中微子混合角θ13和中微子質量平方差的測量精度都提高了近一倍，為世界最高精度。

大亞灣實驗合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣的38個研究機構、約270名研究人員組成。其中約150人來自境內單位的16個高校和研究所。

“因在中微子振蕩上的基礎性發現與探索，揭示了超越甚至遠遠超越粒子物理標準模型的新前沿”，大亞灣實驗合作組及其負責人與另外4個實驗組分享了2016年度基礎物理學突破獎。

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

“韓國科學家的結果只比我們晚了25天�！蓖踬O芳說。截至目前，大亞灣實驗首次報道測量θ13的文章被引用上千次，成為高能物理研究的經典文獻之一。

但中微子的關鍵未解之謎還有很多。比如，中微子的絕對質量是多少？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驗繼續提高精度外，王貽芳正在主持的中國第二個大型中微子實驗項目——江門中微子實驗已經開建，預計在2020年進行取數工作。

“江門中微子實驗將致力于測量中微子的質量順序，并進一步精確測量中微子混合參數，其土建工程規模約是大亞灣反應堆中微子實驗項目的3至5倍�！� 王貽芳稱。由于有了大亞灣中微子實驗的鋪墊，江門中微子實驗的審批難度低了一些，但技術挑戰卻并未減少。

“精度越高，能發現的內容就越多，或許就差那么一點點，我們就會錯失認識世界的機會。”中科院高能物理研究所曹俊研究員說。