圖① 大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的整體布局。圖② 110噸重的中微子探測器正在吊裝入10米深的水池中。圖③ 中微子探測器成功安裝在巨型水池之中。（資料圖片）
在2016年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)憑借其對我國粒子物理的巨大貢獻(xiàn)榮獲國家自然科學(xué)獎一等獎。此次實(shí)驗(yàn)的成功填補(bǔ)了我國在中微子這個基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域的空白，提升了我國物理學(xué)家的國際影響力。首次嘗試中微子振蕩研究就取得如此驕人的成績，這在國際上都是十分罕見的。那么，什么是中微子振蕩？這次實(shí)驗(yàn)又是如何成功的？且聽《經(jīng)濟(jì)日報》記者向您娓娓道來。
“幽靈”粒子 來去無蹤
中微子常用符號ν表示，與帶電輕子、夸克一同被稱為構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子。人們叫它“閃電俠”——中微子質(zhì)量非常輕（小于電子的百萬分之一），以接近光速運(yùn)動，具有極強(qiáng)的穿透力，可以輕松穿過地球直徑那么厚的物質(zhì)；人們叫它“獨(dú)行俠”——中微子只參與非常微弱的弱相互作用，在億萬個中微子中只有個別會與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此中微子的檢測十分困難。它難以琢磨——中微子有大量謎團(tuán)尚未解開，包括它的質(zhì)量大小和起源、磁矩、CP破壞大小等等，卻又無處不在——宇宙中充斥著大量的中微子，大約每立方厘米300個，大多數(shù)粒子物理和核物理過程中都伴隨著中微子的產(chǎn)生，例如核裂變、核聚變、貝塔衰變等。
中微子在飛行過程中，從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型的現(xiàn)象叫做中微子振蕩，科學(xué)家用三個混合角來描述三種中微子相互轉(zhuǎn)化時的振蕩幅度，分別是θ12、θ23、θ13。
1998年的超級神岡實(shí)驗(yàn)和2001年SNO實(shí)驗(yàn)先后測出混合角θ12、θ23的大小，證實(shí)了中微子有質(zhì)量，并因此獲諾貝爾物理學(xué)獎。但第三種振蕩混合角θ13卻遲遲沒有被發(fā)現(xiàn)，直到2012年大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首次公布了對θ13的精確測量結(jié)果?！斑@是物理學(xué)上具有重要基礎(chǔ)意義的一項(xiàng)重大成就?！敝Z貝爾物理學(xué)獎得主李政道如是評價大亞灣實(shí)驗(yàn)。
大亞灣實(shí)驗(yàn)的科學(xué)意義在于θ13值的確定，使科學(xué)界得以更深入了解中微子的基本特性，預(yù)示著中微子的全部奧秘有望在不遠(yuǎn)的將來被徹底解開。“基礎(chǔ)研究的主要目的是為了認(rèn)識世界，此次實(shí)驗(yàn)的成功標(biāo)志著我們對自然界的發(fā)現(xiàn)又邁出了新的一步，這是我們對人類作出的貢獻(xiàn)?！贝髞啚持形⒆訉?shí)驗(yàn)首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳說。
除此之外，大亞灣實(shí)驗(yàn)從高精度大型探測器加工到特殊材料，從化學(xué)化工到高速讀出電子學(xué)，提升了我國在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平，并培養(yǎng)出一批具有國際水準(zhǔn)的青年科研人員，為我國基礎(chǔ)物理研究的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
追求完美 搶占先機(jī)
2003年前后，來自不同國家的科學(xué)家們共提出8個可能測出θ13的實(shí)驗(yàn)方案，其中就包括大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)方案。如何在與美國、日本、歐洲等經(jīng)驗(yàn)豐富團(tuán)隊(duì)的激烈競爭中脫穎而出？
“取勝的第一點(diǎn)原因是，我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精度比別人高?！蓖踬O芳告訴記者，大亞灣實(shí)驗(yàn)的測量精度比過去的實(shí)驗(yàn)高出約一個數(shù)量級，在8個國際同類方案中精度是最高的?！拔覀円獮槭澜缣峁┮粋€最精確的振蕩參數(shù)，要做就做到極致?！蓖踬O芳說。
“其次，我們的方案設(shè)計(jì)有優(yōu)勢、有創(chuàng)新。”王貽芳說，大亞灣實(shí)驗(yàn)采用遠(yuǎn)近相對測量方法，在反應(yīng)堆附近和距反應(yīng)堆2000米左右的地方各放一個探測器。如此一來，便能夠部分抵消探測效率、靶的有效體積、靶核數(shù)目和能量測量等與探測器相關(guān)的誤差，提高實(shí)驗(yàn)靈敏度。
此外，大亞灣實(shí)驗(yàn)還創(chuàng)造性地在一個實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)放置多個相同的探測器，這是國際上唯一采用這種設(shè)計(jì)方法的中微子實(shí)驗(yàn)。多個全同探測器的測量便于比較，使實(shí)驗(yàn)誤差又降低了“根號n倍”。
在實(shí)驗(yàn)廳位置的選擇上，設(shè)計(jì)者們也花費(fèi)一番心思。為了解決遠(yuǎn)近點(diǎn)探測器放置位置、宇宙射線產(chǎn)生本底、山體覆蓋厚度等問題，科學(xué)家們將1:5000的數(shù)字化地形測量圖予以轉(zhuǎn)換，得到山體輪廓，在平面圖上以50米為一格，比較了3個實(shí)驗(yàn)大廳移動到不同位置時測量θ13的靈敏度，定量地計(jì)算出不同因素對測量結(jié)果的影響，從而確定大亞灣實(shí)驗(yàn)的總體布局。
“如果要取得成功，所有的事情都得做對?！贝髞啚硨?shí)驗(yàn)擁有最大的反應(yīng)堆功率、最合適的遠(yuǎn)點(diǎn)基線、最大的探測器質(zhì)量以及最深的巖石覆蓋。再加上科學(xué)家們力求卓越的設(shè)計(jì)理念、精益求精的研究態(tài)度，讓實(shí)驗(yàn)在測量精度、靈活度以及可靠性上都達(dá)到了前所未有的高度，使得大亞灣實(shí)驗(yàn)成為“中國有史以來最重要的物理學(xué)成果”。
技術(shù)創(chuàng)新 攻克難關(guān)
液體閃爍體（下文簡稱液閃）是中微子實(shí)驗(yàn)使用的探測介質(zhì)，釓是一種稀土元素，在液閃中摻釓可以放大關(guān)聯(lián)信號，提高探測精度。但如何在液閃中摻釓并保持其穩(wěn)定性是大亞灣實(shí)驗(yàn)的重中之重，也是難以突破的瓶頸。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副經(jīng)理曹俊告訴記者，把無機(jī)物釓摻到由有機(jī)物組成的液閃中，由于不相溶，釓便會析出，導(dǎo)致液閃無法有效地探測?！皩⒒瘜W(xué)技術(shù)與核物理相結(jié)合，這種跨界研發(fā)確實(shí)比較困難?！辈芸≌f。
高能所化學(xué)專家張智勇告訴曹俊可以將釓變成有機(jī)的釓絡(luò)合物，從而提高其在有機(jī)液閃中的溶解度。通過多次實(shí)驗(yàn)，嘗試了多種配體用來生成釓的絡(luò)合物，最終發(fā)現(xiàn)，異壬酸與釓反應(yīng)生成的絡(luò)合物進(jìn)入液閃后對液閃的透明度和光產(chǎn)額等沒有明顯影響，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。
與此同時，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室也在攻克摻釓液閃穩(wěn)定性的難題，并對高能所的配方心存疑慮?！斑@是完全可以理解的，我們彼此相互交換樣品測試，都覺得有一定的可行性，但最終用誰的一直相持不下?！蓖踬O芳說。
作為捕獲中微子的核心物質(zhì)，摻釓液閃一旦出現(xiàn)問題，整個實(shí)驗(yàn)都將功虧一簣。中美雙方分別提供樣品，由位于香港大學(xué)的第三方實(shí)驗(yàn)室開展光學(xué)性能和穩(wěn)定性的測量。最終，高能所研制的摻釓液閃完美地通過了考核，其配方和工藝為大亞灣實(shí)驗(yàn)的順利完成立下了汗馬功勞。
技術(shù)難關(guān)被攻克以后，大規(guī)模生產(chǎn)又給大亞灣的科學(xué)工作者們出了一道難題。為了防止金屬進(jìn)入液閃中影響摻釓液閃穩(wěn)定性，所有與液閃接觸的部分都要使用有機(jī)玻璃和氟塑料，這就給加工、生產(chǎn)以及運(yùn)輸帶來了很大的困難。
實(shí)驗(yàn)所需的摻釓液閃分50個批次生產(chǎn)，整個過程中，現(xiàn)場人員層層把關(guān)、步步小心，通過合理的分工、密切的合作以及不辭勞苦地晝夜奮斗，終于在不到兩個半月的時間內(nèi)就完成了50個批次的全部生產(chǎn)工作，重復(fù)性非常好。時至今日，大亞灣實(shí)驗(yàn)已經(jīng)運(yùn)行數(shù)年，摻釓液閃依然很穩(wěn)定，完全滿足取數(shù)要求。
展望未來 國際領(lǐng)先
大亞灣實(shí)驗(yàn)在測量θ13數(shù)值中拔得頭籌，使得我國中微子物理研究向前邁出了堅(jiān)實(shí)的一大步。但是，中微子世界還有許多未解之謎有待探索和解答?！澳壳爸形⒆友芯恳粋€很重要的方向是測量其質(zhì)量順序，這也是江門中微子實(shí)驗(yàn)的首要科學(xué)目標(biāo)?！蓖踬O芳介紹說。
江門中微子的實(shí)驗(yàn)原理與大亞灣實(shí)驗(yàn)相同，即用液閃探測器探測反應(yīng)堆中微子，但難度大得多。一方面，為了測到足夠多的中微子，探測器的有效質(zhì)量需達(dá)2萬噸；另一方面，為了保證測到的數(shù)據(jù)足夠精確，在倍增能量精度的同時還要盡可能地提高光子轉(zhuǎn)化成電子的效率（稱為量子效率）。
對此，高能所的科學(xué)家們集思廣益，為江門中微子實(shí)驗(yàn)出謀劃策。首先，設(shè)計(jì)了目前世界上尺寸、規(guī)模最大的中微子探測器；其次，將用于接受光子的光電倍增管覆蓋全部探測器，使其排布效率達(dá)到極限；最后，高能所的科學(xué)家們與多家研究院所、企業(yè)合作，經(jīng)過多年努力，終于研發(fā)出一種新型的高量子效率光電倍增管，并將用于江門中微子實(shí)驗(yàn)。
江門中微子實(shí)驗(yàn)于2013年立項(xiàng)，預(yù)計(jì)2020年運(yùn)行取數(shù),大約運(yùn)行5年后可以給出中微子質(zhì)量順序的確切答案。該實(shí)驗(yàn)不僅能測量中微子質(zhì)量順序，還將精確測量中微子振蕩的6個基本參數(shù)中的3個至優(yōu)于1%精度的國際最高水平，以檢測中微子混合的幺正性、尋找新物理，并可以在超新星中微子、地球中微子、太陽中微子、暗物質(zhì)尋找、質(zhì)子衰變等方面作出貢獻(xiàn)?！霸谕瓿墒滓茖W(xué)目標(biāo)以后，我們還計(jì)劃對江門中微子實(shí)驗(yàn)做出進(jìn)一步的升級改造，以研究中微子是否是自身的反粒子?！蓖踬O芳說。
下一代中微子實(shí)驗(yàn)還包括韓國的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)、美國的加速器中微子實(shí)驗(yàn)以及其在南極的大氣中微子實(shí)驗(yàn)、法國在地中海的大氣中微子實(shí)驗(yàn)等。中微子世界的未解之謎正是我國粒子物理實(shí)現(xiàn)跨越式高速發(fā)展、達(dá)到國際領(lǐng)先水平的助推器。
?。ㄔd于《經(jīng)濟(jì)日報》 2017-02-03 11版）
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