大亞灣裝置：攔下中微子，看看究竟

　　本報(bào)記者 高 博

　　■走近中國(guó)大科學(xué)工程

　　中微子——基本粒子中最詭秘的一位，落入了中國(guó)人的陷阱，并招供出它的變身秘密。深圳大亞灣核反應(yīng)堆群的360米外，百米高的花崗巖山體腹中，藏著中國(guó)迄今最成功的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置——大亞灣中微子裝置。它在2012年3月8日宣布成功發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式，引起世界矚目；《科學(xué)》雜志網(wǎng)站說(shuō)，大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置“可以說(shuō)是中國(guó)有史以來(lái)最重要的物理學(xué)成果”。

　　大亞灣發(fā)現(xiàn)中微子第三種變化

　　中微子來(lái)自核反應(yīng)堆、太陽(yáng)、超新星、地球內(nèi)核等處，攜帶著暗物質(zhì)和天體的秘密。它們是基本粒子中的“隱士”，質(zhì)量小，不帶電，幾乎不與任何粒子反應(yīng)。只有大亞灣裝置這樣包含海量粒子的探測(cè)器，才能僥幸攔下來(lái)幾個(gè)中微子。

　　中微子分三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們可以“振蕩”——一種類型變成另一種。3種振蕩的量化描述是θ12、θ23和θ13。前兩種已在大氣中微子和太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)中找到。

　　大亞灣實(shí)驗(yàn)是對(duì)第三種振蕩模式的測(cè)量。這種振蕩中，主要由電子中微子組成的“大隊(duì)人馬”，在行軍路上變成了主要由τ中微子組成的團(tuán)隊(duì)。θ13數(shù)值的大小決定了未來(lái)中微子物理研究的設(shè)計(jì)方向。

　　由于科學(xué)意義重大，國(guó)際上曾先后提出了8個(gè)相似的中微子實(shí)驗(yàn)方案。中科院高能物理所提出的大亞灣實(shí)驗(yàn)方案因具有地理優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)獨(dú)特，取得了國(guó)際上的關(guān)注。美國(guó)能源部就放棄了支持本國(guó)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，轉(zhuǎn)而支持美國(guó)科學(xué)家加入大亞灣實(shí)驗(yàn)的合作。

　　大亞灣的科學(xué)家本來(lái)預(yù)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量θ13到1％精度的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，大約需要兩年。但開(kāi)始取數(shù)后3個(gè)月，2012年3月，他們就宣告勝利。大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置的成功是把θ13算得很準(zhǔn)——8.8度，誤差為正負(fù)0.8度。

　　精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　從陽(yáng)光燦爛的海濱，到鉆入黑暗的山洞。全長(zhǎng)3000多米大亞灣排牙山隧道，3個(gè)相連的像電影廳一樣大小的地下實(shí)驗(yàn)室中，分布著8個(gè)中微子探測(cè)器。每個(gè)探測(cè)器是直徑5米、高5米的圓柱，有著不銹鋼的外殼，內(nèi)裝透明的“液閃”（液體閃爍體）。它們被放在水池中。

　　無(wú)論是水，還是“液閃”的主要成分烷基苯，質(zhì)子密度都很高。附近的核反應(yīng)堆，每天產(chǎn)生10的26次方個(gè)反中微子，它們穿過(guò)水和烷基苯時(shí)，極少數(shù)（每天1000個(gè)）會(huì)迎面撞上質(zhì)子，產(chǎn)生光子和中子；中子再跟液閃反應(yīng)，放出光子。液閃中的釓會(huì)加速這個(gè)過(guò)程。微弱的光，被探測(cè)器內(nèi)的光電倍增管放大，得以記錄下來(lái)。中微子能量越高，反應(yīng)射出的光就越強(qiáng)，但不是成比例的，需要科學(xué)家從光的強(qiáng)度算出中微子的能量。

　　如果距離反應(yīng)堆較近處和較遠(yuǎn)處的探測(cè)到的中微子能量差別明顯，就說(shuō)明中微子在從近到遠(yuǎn)的1000多米“變身”了。

　　大亞灣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每隔十幾分鐘都會(huì)由計(jì)算機(jī)壓縮后傳送到中科院計(jì)算中心和美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算中心，每天的數(shù)據(jù)量是300GB左右。實(shí)驗(yàn)無(wú)法避免干擾：實(shí)驗(yàn)設(shè)備的異常高壓、核反應(yīng)堆異常、宇宙射線等等。每天有360個(gè)中微子相關(guān)的閃爍，但卻有25萬(wàn)個(gè)宇宙射線造成的閃爍。數(shù)據(jù)必須篩選后提交。

　　中國(guó)制造是保障

　　中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳說(shuō)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不是建造一個(gè)大的整體探測(cè)器以提高精度，而是做成幾個(gè)小的、模塊化的探測(cè)器，這是中國(guó)人的首創(chuàng)。它不僅便于實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器的遠(yuǎn)近點(diǎn)交換，而且也減小了探測(cè)器的體積，可使隧道截面不至于過(guò)大，便于安裝。

　　“高能所提出了獨(dú)到的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)和精度國(guó)際最高?！蓖踬O芳說(shuō)，同一實(shí)驗(yàn)廳放置2—4個(gè)全同探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比測(cè)量的方案，中方曾與美國(guó)合作者發(fā)生過(guò)激烈爭(zhēng)論，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后來(lái)證實(shí)了中國(guó)方案的有效。

　　在液閃中摻雜稀土元素釓這一國(guó)際難題，也是中國(guó)人解決的。在研制液閃的過(guò)程中，中國(guó)人與美國(guó)人都有各自的配方，并且都認(rèn)為自己的最好。爭(zhēng)執(zhí)中，雙方只得找第三方測(cè)試。測(cè)試結(jié)果是，中國(guó)人的液閃質(zhì)量更高，能讓液閃長(zhǎng)期保持澄清。

　　工程建造的中心探測(cè)器的鋼罐，直徑5米、高5米，其壁厚僅1厘米，變形還要控制在1毫米之內(nèi)。制造廠商說(shuō)，為了這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的鋼罐，他們進(jìn)行了80多次焊接試驗(yàn)，制造這樣一個(gè)20噸的鋼罐用時(shí)一年多。

　　當(dāng)裝配大廳的水泥地面建設(shè)完工后，來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家，趴在地上一寸一寸用硬木敲擊，側(cè)耳傾聽(tīng)，保證地面沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)空隙，以確保設(shè)備的安裝質(zhì)量。他們發(fā)現(xiàn)中國(guó)人的施工質(zhì)量無(wú)可挑剔。

　　優(yōu)質(zhì)工程讓大亞灣在國(guó)際科學(xué)競(jìng)賽中率先撞線。

　　第二代實(shí)驗(yàn)裝置也在廣東

　　2016年2月，大亞灣裝置傳出新消息，科學(xué)家測(cè)得了迄今為止最精確的反應(yīng)堆中微子能譜，并發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差。反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子比某些模型的預(yù)期值低6％。這是理論的缺陷，還是惰性中微子振蕩引起的呢？離大亞灣200公里外的廣東江門正在建造的下一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置可能回答這個(gè)問(wèn)題。由中、法、德、意、俄、美等國(guó)的200多位科學(xué)家組成的江門地下中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）國(guó)際合作組已經(jīng)成立，王貽芳任合作組發(fā)言人。

　　JUNO實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)在開(kāi)平市打石山700米的人工洞穴里。目前正在初步施工，預(yù)計(jì)2019年底建成運(yùn)行。JUNO實(shí)驗(yàn)的規(guī)模將比大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大100多倍，計(jì)劃運(yùn)行至少20年，10億元級(jí)別的投資，使其成為中國(guó)最龐大的高能物理裝置。

　　JUNO的眼力將比大亞灣裝置更敏銳。能譜好比中微子的手相，JUNO能瞄出平滑的掌紋上細(xì)小的皺褶，從而說(shuō)出中微子的本質(zhì)。

　　“中微子是什么粒子？我們并沒(méi)搞清楚。因?yàn)樗畈缓脺y(cè)?！敝形⒆涌茖W(xué)家、中科院高能物理所研究員曹俊說(shuō)，目前的粒子標(biāo)準(zhǔn)理論模型中，賦予大家質(zhì)量的是希格斯粒子，但中微子質(zhì)量較之低了15個(gè)量級(jí)，“很不自然”。為了解釋中微子為何如此輕，理論學(xué)者都傾向于相信一種蹺蹺板機(jī)制，認(rèn)為有一種重的中微子還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，叫惰性中微子，它也可能是暗物質(zhì)的組成部分。JUNO以它極高的偵測(cè)精度，將幫助科學(xué)家理解中微子的本質(zhì)。

　　另外，曹俊說(shuō)，JUNO裝置也可探測(cè)超新星中微子和地球內(nèi)核中微子，開(kāi)啟中國(guó)在這兩方面的研究。

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