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。中國(guó)科學(xué)家借此精確測(cè)到中微子的第三種變身方式。
“描述世界一共有28個(gè)基本參數(shù)”，中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳告訴科技日?qǐng)?bào)記者，大亞灣測(cè)得的中微子θ13是第25個(gè)參數(shù)，還有三個(gè)參數(shù)迄今未知。
中微子來(lái)自核反應(yīng)堆和恒星，號(hào)稱“隱士”，幾乎不與任何粒子反應(yīng),只有包含海量粒子的探測(cè)器，才能僥幸攔下來(lái)幾個(gè)。中微子分電子中微子、μ中微子和τ中微子，它們可以互相轉(zhuǎn)化——振蕩。3種振蕩的量化描述是θ12、θ23和θ13。前兩種之前已找到，都拿了諾貝爾獎(jiǎng)。大亞灣實(shí)驗(yàn)是測(cè)量第三種振蕩——電子中微子行軍路上變成τ中微子。θ13數(shù)值的大小，關(guān)系到以后中微子裝置怎么設(shè)計(jì)。
這是一場(chǎng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，8家實(shí)驗(yàn)室齊頭并進(jìn)。中科院高能物理所的大亞灣實(shí)驗(yàn)方案最為誘人，多國(guó)科學(xué)家加入。大亞灣本來(lái)預(yù)計(jì)兩年得到高精度結(jié)果，但為了在競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)跑而調(diào)整方案。取數(shù)后3個(gè)月，2012年3月，他們宣告勝利：θ13是8.8度，正負(fù)誤差0.8度。
從陽(yáng)光海岸鉆入山洞，來(lái)到地下實(shí)驗(yàn)室。探測(cè)器呈直徑5米、高5米的圓柱形，有著不銹鋼的外殼，內(nèi)裝透明的“液閃”（液體閃爍體）。好幾個(gè)探測(cè)器沉入水池，盡可能屏蔽干擾射線。
水和“液閃”的主成分烷基苯的質(zhì)子密度都很高。大亞灣核反應(yīng)堆每天產(chǎn)生10的26次方個(gè)反中微子，穿過(guò)水和烷基苯時(shí)，每天1000個(gè)中微子迎面撞上質(zhì)子，拋出光子和中子；中子跟液閃反應(yīng)放出光子。微弱的光被探測(cè)器內(nèi)的光電倍增管放大并記錄。從光強(qiáng)度算出中微子能量。
距離反應(yīng)堆較近和較遠(yuǎn)的探測(cè)器探測(cè)到的中微子能量不同，說(shuō)明中微子在1000多米的路上“變身”了。
盡管厚厚的山體屏蔽，干擾仍然不斷：實(shí)驗(yàn)設(shè)備的異常高壓、核反應(yīng)堆異常、宇宙射線……每天有360個(gè)中微子閃爍，但卻有25萬(wàn)個(gè)宇宙射線閃爍。層層套娃一樣的容器是為了辨別有效和無(wú)效閃光。篩選后，每天300GB的壓縮數(shù)據(jù)送往中科院和美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。
幾個(gè)小的、模塊化的探測(cè)器是中國(guó)人的首創(chuàng)。小探測(cè)器使隧道面無(wú)需太闊。中國(guó)人的另一成功之處，是調(diào)配出了長(zhǎng)時(shí)間保持清澈的液閃，這可比調(diào)一杯雞尾酒難多了。為了加速中微子反應(yīng)的閃光，液閃中得摻入稀土元素釓，中國(guó)與美國(guó)有各自的配方。測(cè)試表明，中國(guó)的液閃世界第一。
探測(cè)器鋼罐壁厚1厘米，變形要控制在1毫米內(nèi)。制造廠經(jīng)過(guò)80多次焊接試驗(yàn)，用時(shí)一年多才造出來(lái)。
2016年2月，大亞灣裝置還測(cè)得了迄今為止最精確的反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差。這開啟了新的課題。
“中微子是什么粒子，我們并沒搞清楚?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T曹俊說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)理論模型賦予質(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，學(xué)者傾向于“蹺蹺板機(jī)制”：或許有種重的中微子，叫惰性中微子，它可能是暗物質(zhì)的組成部分。破解中微子之謎的征途上，大亞灣實(shí)驗(yàn)搭起了一座必經(jīng)之橋。
（原載于《科技日?qǐng)?bào)》 2017-01-10 03版）
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