大亞灣中微子實驗裝置 中國科學院高能物理研究所供圖
江門中微子實驗站建設(shè)場地全貌 中國科學院高能物理研究所供圖
兩個實驗雖然都是研究中微子，但具體科學目標完全不同。大亞灣中微子實驗的科學目標是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來測定中微子第三種振蕩模式，而江門中微子實驗是要實現(xiàn)對中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測量。
——王貽芳 中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士
運行了3275天11小時43分0秒后，2020年12月12日，深圳大亞灣核反應(yīng)堆群1600米外、藏在百米高花崗巖山體腹中的大亞灣中微子實驗裝置，被按下了停止鍵。中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士王貽芳宣布：“實驗圓滿完成科學任務(wù)，正式退役！”
大亞灣中微子實驗的句號，并不是我國中微子研究的終點。250公里外，新的“接棒者”——同在廣東的江門中微子實驗，正在如火如荼的建設(shè)中。江門中微子實驗裝置建成后，必將勇攀世界中微子研究高峰，續(xù)寫我國中微子研究的輝煌。
尋找第三種振蕩模式，7國提出8個實驗方案
中微子是一種不帶電、質(zhì)量極其微小的基本粒子，有人形象地將其比作基本粒子中的“隱士”。與夸克、帶電輕子等基本粒子相比，中微子性質(zhì)獨特，它們幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，不容易被捕捉到。因此，中微子是人類迄今了解最少的一種基本粒子，存在著諸多未解的謎題。
“對中微子未知問題的研究，不僅將完善我們對物質(zhì)世界最基本規(guī)律的認識，而且很有可能導致對現(xiàn)有粒子物理論體系——標準模型的突破，從而踏入新物理世界的大門。”中國科學院高能物理研究所副所長曹俊告訴科技日報記者。
21世紀初，中微子成為高能物理學的寵兒。中微子研究蓬勃發(fā)展，不僅成為粒子物理最重要的分支之一，而且還擴展到天文學、宇宙學、地球物理等多個學科，形成了“中微子科學”。同時，中微子的實驗研究也取得了許多重大發(fā)現(xiàn), 包括發(fā)現(xiàn)三種中微子、發(fā)現(xiàn)來自天體的中微子、發(fā)現(xiàn)中微子振蕩等。
中微子有一個特殊的性質(zhì)，那就是它們經(jīng)?！白兩怼保瑥囊环N類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，即中微子振蕩。
原則上，三種中微子之間相互“變身”，兩兩組合，應(yīng)該有三種模式。其中兩種模式分別在上世紀60年代、80年代即有跡象，當時稱作“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年日本的超級神岡實驗正式發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩，隨后太陽中微子振蕩也被多個實驗證實。
“然而，第三種中微子‘變身’模式一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在。”曹俊說。
由于科學意義重大，2003年起，俄羅斯、法國、美國、日本、韓國等7國相繼提出8個相似的中微子實驗方案。中國科學院高能物理研究所的科研人員也在這一年提出設(shè)想，利用我國大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩模式。
穩(wěn)妥推進裝置建設(shè)，創(chuàng)造安全爆破世界紀錄
那時，王貽芳和曹俊都覺得，中微子實驗研究蘊含著獲得重大物理發(fā)現(xiàn)的機遇。
“全世界的粒子物理學者都在尋找第三種振蕩模式，中國絕不能錯失這次機會，應(yīng)該積極參與其中，提出自己的實驗方案，或許這個重大突破就是我們的?！辈芸∥⑿χf。
為了實現(xiàn)中微子研究夢，王貽芳和曹俊拿出了自己獲得的人才基金，加上中國科學院高能物理研究所特批的100萬元，開始了中微子實驗的選址勘測工作。
看到大亞灣核電站旁邊的排牙山后，這群物理學家難掩心中喜悅?！昂穗娬痉磻?yīng)堆群總功率很高，可以放出海量的中微子，供實驗測量；排牙山幾百米厚的山體可以隔絕宇宙射線的干擾，這大概是全世界最好的實驗點。核電站旁邊有這樣一座小山，可以說，這是上天眷顧中國高能物理學界?！辈芸「锌?。
不久后，由中國科學院高能物理研究所提出的大亞灣中微子實驗方案，就因具有地理優(yōu)勢、設(shè)計獨特，取得了國際上的關(guān)注。美國能源部還放棄了支持本國的兩個實驗方案，轉(zhuǎn)而支持美國科學家加入大亞灣中微子實驗。
然而，中微子實驗選址過程卻并非一帆風順?！拔覀冋掖髞啚澈穗娬緯r，他們內(nèi)部對于我們做實驗是有分歧的，協(xié)調(diào)過程并不容易。”曹俊說。
分歧的焦點就是安全。
中微子實驗需要開山，但爆破引起的震動對反應(yīng)堆來說是個極大的考驗。一旦出現(xiàn)超過標準的震動，所有反應(yīng)堆都會自動停機，對整個電網(wǎng)的沖擊很大。為確保萬無一失，項目批準時定下的震動標準是國標的1/10，到了現(xiàn)場又“打了7折”。
施工方曾把大亞灣中微子實驗裝置的建設(shè)過程，比喻成“繡花”。以施工方的實力，一個月掘進150到200米不成問題，但在核電站旁邊施工，剛開始時，7到8天才能推進1米。
在這樣的“精雕細刻”下，該工程2259次爆破無一超標，創(chuàng)造了核島近距離安全爆破的世界紀錄。
果斷修改實驗計劃，爭分奪秒搶發(fā)成果
經(jīng)過4年醞釀?wù)撟C、3年施工和1年安裝實驗設(shè)施，2011年12月24日，大亞灣中微子實驗終于開始運行。此時，韓國的中微子實驗——RENO實驗已經(jīng)進行了4個月。
為了搶在競爭對手前獲得可靠的物理結(jié)果，我國項目組果斷調(diào)整實驗計劃，將實驗分為兩個階段，改變原先使用8個探測器的方案，以6個探測器提前積累數(shù)據(jù)。
功夫不負有心人。2012年3月8日，王貽芳宣布：大亞灣中微子實驗取得了重大突破——成功發(fā)現(xiàn)中微子的第三種振蕩模式,并測量到其振蕩幾率。
消息發(fā)出后，世界著名物理學家李政道當即發(fā)來賀信，稱這一結(jié)果是“物理學上具有重要基礎(chǔ)意義的重大成就”。世界各大粒子物理實驗室也紛紛盛贊大亞灣實驗取得的成果。該成果入選《科學》雜志評選的“2012年度十大科學突破”，并被國外同行譽為“中國有史以來最重要的物理學成果”。
“這一成果確實是我們‘搶’出來的，如果不是各方面夜以繼日地工作，我們不可能率先發(fā)布?！辈芸≌f。
回憶起當時的情景，曹俊至今記憶猶新。在2012年的頭兩個月里，科學家開始了緊鑼密鼓的數(shù)據(jù)獲取、分析工作。“在實驗還沒有正式運行前，1號實驗廳就已經(jīng)產(chǎn)生了很多數(shù)據(jù)，我們用這些數(shù)據(jù)‘看懂’了探測器，建立好了數(shù)據(jù)分析方法。更早以前，從2010年開始，我們就用模擬軟件產(chǎn)生假數(shù)據(jù)，進行反復(fù)練習，為日后正式的物理分析做準備?！辈芸≌f。
為了趕時間，很多工作都是同時進行的，包括設(shè)備安裝和調(diào)試、模擬分析等。
那時，為了盡快把成果發(fā)布出來，曹俊還制訂了一個計劃。“為使工作能被高效推進，我們預(yù)先把所有節(jié)點時間都計算好，比如何時把文章投給雜志、何時給雜志回信、何時文章會被交至電子預(yù)印本文庫等，從而使全世界的同行都能看到我們具體的實驗細節(jié)。算好這些以后，我們才準備開成果發(fā)布會?！辈芸≌f，正是有了這個基礎(chǔ)，大亞灣中微子實驗的成果發(fā)布才比韓國RENO實驗快了25天。
“接棒者”明年建成，瞄準中微子質(zhì)量順序測量
2020年12月12日，大亞灣中微子實驗裝置正式退役。
談到大亞灣中微子實驗的退役，王貽芳解釋說，大亞灣中微子實驗已經(jīng)運行了9年，當時的科學目標已經(jīng)實現(xiàn)，中微子振蕩振幅的測量精度已經(jīng)不可能再有顯著提高，設(shè)備繼續(xù)運行的科學價值變小，只是浪費金錢和時間。
大亞灣實驗停止運行，并不意味著我國中微子研究隨之停止，一個更為先進、規(guī)模更大的江門中微子實驗正在建設(shè)當中。
研究人員正在建造一個全世界最大的液體閃爍體探測器來繼續(xù)捕捉中微子。這個探測器的主體是一個有12層樓高的有機玻璃球，里面裝有2萬噸液體閃爍體。這是迄今為止中國最復(fù)雜的高能物理實驗裝置，預(yù)計將在2022年建成。
“江門中微子實驗裝置的地下隧道建設(shè)工程已經(jīng)基本完成，設(shè)備安裝準備工作基本就緒，關(guān)鍵部件將于今年下半年開始安裝，明年才能全部裝完。”王貽芳透露。
那么，大亞灣中微子實驗和江門中微子實驗有什么不同？王貽芳解釋道，兩個實驗雖然都是研究中微子，但具體科學目標完全不同。大亞灣中微子實驗的科學目標是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來測定中微子第三種振蕩模式，而江門中微子實驗是要實現(xiàn)對中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測量。
“中微子的質(zhì)量是自然界的基本參數(shù)，影響宇宙的演化進程。知道了質(zhì)量順序，可以為確定中微子質(zhì)量和其他研究鋪路。”王貽芳說。
此外，發(fā)現(xiàn)超新星遺跡中微子也是江門中微子實驗的一個重要目標。理論模型預(yù)言，宇宙中彌漫著大量的由于超新星爆發(fā)而產(chǎn)生的中微子。“經(jīng)過估算，我們覺得江門中微子實驗有可能率先發(fā)現(xiàn)超新星遺跡中微子。同時，我們也希望在江門中微子實驗的科學生命周期之內(nèi)，等到一次超新星爆發(fā)，這樣我們就能捕捉到上千個超新星中微子?！蓖踬O芳說。
?。ㄔ醋钥萍既請?月25日第5版 原地址：http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-05/25/content_468212.htm?div=-1）
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