大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验

2017/1/16 13:41:02

其中两种模式自60年代起即有迹象，当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年，日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡，2002年，太阳中微子振荡也被多个实验证实。这两项成果被授予2015 年诺贝尔物理学奖。但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在（即其振荡几率为零）。大亚湾实验便是瞄准了迟迟未能找到的θ13。

2012年3月8日，大亚湾反应堆中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布： 大亚湾实验以5.2倍标准偏差的置信度（>99.9999%）测得中微子混合角θ13不为零，首次实验发现了中微子的第三种振荡模式。这一中国诞生的重大物理成果，开启了未来中微子物理发展的大门，在全球科学界引起热烈反响。美国《科学》杂志将其评为2012 年十大科学突破之一，并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未来，大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻”。

大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，位于广东省深圳市大亚湾。之所以选择大亚湾，除了临近大亚湾和岭澳核电站、是理想的中微子源外，还因为那里的地形适合屏蔽其他粒子。大亚湾实验项目于2007年10月动工，到2011年中期先后完成探测器的建造与安装，并在8月开始近点取数，12月下旬开始远近点同时运行。

大亚湾核电站一共有6 个核反应堆，而中微子实验有3 个地下实验室大厅，其中两个靠近反应堆（分别为 470 米和 576 米），一个远离反应堆，距离为 1648 米。该实验延续了1956年费雷德里克˙莱茵斯等人发现中微子实验的血脉，同样通过探测中微子和质子的反应来研究中微子。虽是基于相同的物理原理，实验技术却经过了半个世纪的进化。精度是大亚湾中微子实验的关键词，运用了能量分辨更好的液体闪烁体来捕捉中微子的信号，并在3个实验厅建造了8个探测器，每台高5米、直径5米、重110吨，安置于10米深的水池中。由于周围紧邻的核反应堆会产生海量的电子反中微子，近探测器探测到的中微子数目，与远探测器探测到的中微子数目会有不同，这个不同可以用来测量反中微子 “消失” 率，从而计算出混合角 。

2015年9月11日，继发现轰动世界科学界的中微子新的震荡模式后，大亚湾中微子实验项目又在《物理评论快报》发表了中微子测量的最新结果，将中微子混合角θ13和中微子质量平方差的测量精度都提高了近一倍，为世界最高精度。

大亚湾实验合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾的38个研究机构、约270名研究人员组成。其中约150人来自境内单位的16个高校和研究所。

“因在中微子振荡上的基础性发现与探索，揭示了超越甚至远远超越粒子物理标准模型的新前沿”，大亚湾实验合作组及其负责人与另外4个实验组分享了2016年度基础物理学突破奖。

这是一场国际赛跑。2003年以来，有7个国家先后提出了8个实验方案利用反应堆实验测量θ13，最终投入建造的有3个，包括中国大亚湾实验、法国Double Chooz实验、和韩国RENO实验。

“韩国科学家的结果只比我们晚了25天。”王贻芳说。截至目前，大亚湾实验首次报道测量θ13的文章被引用上千次，成为高能物理研究的经典文献之一。

但中微子的关键未解之谜还有很多。比如，中微子的绝对质量是多少？惰性中微子存在吗？中微子究竟是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子？除了大亚湾中微子实验继续提高精度外，王贻芳正在主持的中国第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验已经开建，预计在2020年进行取数工作。

“江门中微子实验将致力于测量中微子的质量顺序，并进一步精确测量中微子混合参数，其土建工程规模约是大亚湾反应堆中微子实验项目的3至5倍。” 王贻芳称。由于有了大亚湾中微子实验的铺垫，江门中微子实验的审批难度低了一些，但技术挑战却并未减少。

“精度越高，能发现的内容就越多，或许就差那么一点点，我们就会错失认识世界的机会。”中科院高能物理研究所曹俊研究员说。