深圳大亚湾中微子实验首次发现中微子第三种振荡模式

2012年12月20日，美国《科学》杂志公布了2012年度十大科学突破，大亚湾中微子实验国际合作组发现中微子第三种振荡模式的成果上榜。《科学》指出：“数百名在中国大亚湾反应堆中微子实验中工作的研究人员报告了一个模型的最后的未知参数，该模型描述了被称作中微子的这种难以捉摸的粒子在以接近光速穿行时，如何从一种类型（味道）变形为另一种类型。这些结果显示，中微子和反中微子可能会以不同的方式改变其味道，并有可能解释为什么宇宙含有如此多的物质及如此少的反物质。如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子，那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”
 
大亚湾反应堆中微子实验是中科院高能所牵头的、以我国科学家为主的大型粒子物理实验，其主要科学目标是通过探测来自反应堆的中微子，精确测量物理学中的基本参数——中微子混合角theta13。实验装置位于广东深圳的大亚湾核电站内。实验2003年提出总体方案和探测器设计，2006年获得批准立项，同年9月高能所与中国广东核电集团签署合作协议，2007年10月动工建设，2010年12月完成核电站附近全部约3000次爆破，建成全长3000米的地下隧道和3个地下实验厅，2011年中逐步完成了探测器的建造与安装，12月远、近点探测器同时投入运行，2012年3月宣布发现新的中微子振荡模式，精确测量到中微子混合角theta13。这是我国诞生的一项重大物理成果，在国际高能物理界引起热烈反响，被评价为中微子物理的一个里程碑。
 
2012年3月8日14时，大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡概率。介绍该结果的论文已于3月7日送交美国《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表，其预印本也已在网上发表。3月8日16时，王贻芳在中国科学院高能物理研究所作学术报告，并通过网络直播，向全世界的粒子物理学家报告他们的结果。
 
中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子，共有3种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中，占了1/4，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质，即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。原则上3种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有3种模式。其中两种模式自20世纪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，随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。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（即其振荡概率为零）。
 
中国科学院高能物理研究所的科研人员2003年提出设想，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的这第三种振荡，其振荡概率用sin²2θ₁₃表示。中国高能物理学会理事长赵光达院士表示，“θ₁₃不仅是物理学中的一个基本参数，其数值的大小也对未来中微子物理的发展方向起着决定性的作用。如果它足够大，我们就能进行下一代实验来测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性（CP）破坏，以理解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中‘反物质消失之谜’。否则我们就不知道如何进行下一代实验”。
 
大亚湾中微子实验室位于深圳市区以东约50公里的大亚湾核电站群附近的山洞内，地理位置优越，紧邻大亚湾核电站与岭澳核电站，并且紧挨高山，有天然的宇宙线屏蔽。高能所的科研人员于2003年提出了实验和探测器设计的总体方案，2006年获得批准立项，2007年10月破土动工。整个实验计划建设总长3000米的隧道和3个地下实验大厅，其中两个近厅各放置两个中微子探测器，远厅放置4个探测器，共8个全同的中微子探测器。每个探测器高5米，直径5米，重110吨，均置于10米深的水池中。中国科学院数理学部主任、国家自然科学基金委员会副主任沈文庆院士表示：“大亚湾实验采用了一系列创新性的设计思想，其设计指标和精度国际最高，设计方案和研制工艺先进，在探测器模块化、可移动、采用反射板、掺钆液体闪烁体等多项设计与技术方面具有独创性，达到并超过了世界先进水平。”
 
用反应堆中微子测量θ₁₃科学意义重大，国际上在2003年左右先后有7个国家提出了8个实验方案，最终进入建设阶段的共有3个，包括中国的大亚湾实验，法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。在激烈的国际竞争中，大亚湾实验采取了多种措施，克服了重重困难，终于在2010年12月完成核电站附近的全部爆破任务，2011年上半年逐步完成了探测器的建造与安装，2011年8月开始近点取数，12月24日开始远近点同时运行。
 
为抢在竞争对手之前获得物理结果，科研人员将实验分为两个阶段，这次报告的结果就来自第一阶段的数据，自2011年12月24日起至2012年2月17日结束，只用了6个中微子探测器，其中2个在大亚湾近厅，1个在岭澳近厅，3个在远厅。经过大家夜以继日的努力，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明，sin²2θ₁₃为9.2%，误差为1.7%，以超过5倍的标准偏差确定sin²2θ₁₃不为零，首次发现了这种新的中微子振荡模式。中国物理学会理事长、中国科学院副院长詹文龙院士评价说：“大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。它不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，也使我们知道未来的中微子物理发展有一个光明的前景：我们可以较为容易地建造下一代中微子实验来寻找中微子振荡中的CP破坏，并搞清楚不同种类的中微子的质量顺序。大亚湾中微子项目是以我国为主的国际合作，也是美国能源部基础研究领域对外投资第二大的国际合作（第一是与欧洲核子研究组织CERN的合作），希望大亚湾项目能进一步发展，成为下一代我国大型国际科学研究装置的候选项目之一。”
 
12月20日，美国《科学》杂志网站公布了该刊评选的2012年科学领域获得的十大突破，来自中国大亚湾中微子实验国际合作组发现的中微子“第三种振荡”及精确测量的振荡概率值榜上有名。《科学》杂志评价说，这一发现使人类更深入地认识了中微子，进而了解物质与反物质之间的关系，或许有望破解“反物质消失之谜”。
 
大亚湾反应堆中微子实验项目得到了科技部、中国科学院、自然科学基金委和广东省、深圳市以及中国广东核电集团的共同支持，同时也得到了美国能源部及其他境外机构的支持，是我国基础科学领域最大的国际合作项目。大亚湾中微子实验测到的新的中微子振荡，是中国本土首次测量到的基本物理学参数，是目前为止中国对基础物理学最大的贡献。
 
在2007年的实验开工仪式上，时任中科院常务副院长的白春礼指出：“大亚湾中微子实验项目对于加强基础研究领域的国际合作、提高我国在该领域的原始性创新能力都具有十分重要的意义。”白春礼亲自与美国能源部和国内相关部门、地方政府等协调，推进项目建设，开创了国际、国家、地方政府及企业共同支持基础研究的先例，成为协同创新的典范。目前，已经有100多位来自中科院高能所、清华大学、上海交通大学、山东大学、中国原子能研究院等中国大陆的科研单位的学者和100多位来自美国、俄罗斯、捷克及中国香港、中国台湾地区的科学家参加大亚湾反应堆中微子实验。
 
作者：郭定军，中国科学院高能物理研究所办公室副主任

版权声明： 本站文章已获出版方或者作者方授权，如需转载，请保留网站地址和作者信息。部分文章来源于网络，著作权归于原作者，仅供学习交流使用。

很赞哦！ ( )