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【科技日报】大亚湾实验:补上物理世界第25块积木
——记国家自然科学奖一等奖“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”
2017-01-10|文章来源:高博 |浏览次数: |【
 
  2017年伊始,大亚湾中微子实验团队被授予国家自然科学奖一等奖。大亚湾中微子装置在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式,被《科学》杂志和权威媒体称为“中国有史以来最重要的物理学成果”。

  深圳大亚湾核反应堆群的360米外,百米高的花岗岩山体腹中,藏着中国迄今最成功的粒子物理实验装置。中国科学家借此精确测到中微子的第三种变身方式。

  “描述世界一共有28个基本参数”,中科院高能物理所所长王贻芳告诉科技日报记者,大亚湾测得的中微子θ13是第25个参数,还有三个参数迄今未知。

  中微子来自核反应堆和恒星,号称“隐士”,几乎不与任何粒子反应,只有包含海量粒子的探测器,才能侥幸拦下来几个。中微子分电子中微子、μ中微子和τ中微子,它们可以互相转化——振荡。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种之前已找到,都拿了诺贝尔奖。大亚湾实验是测量第三种振荡——电子中微子行军路上变成τ中微子。θ13数值的大小,关系到以后中微子装置怎么设计。

  这是一场国际竞争,8家实验室齐头并进。中科院高能物理所的大亚湾实验方案最为诱人,多国科学家加入。大亚湾本来预计两年得到高精度结果,但为了在竞争中领跑而调整方案。取数后3个月,2012年3月,他们宣告胜利:θ13是8.8度,正负误差0.8度。

  从阳光海岸钻入山洞,来到地下实验室。探测器呈直径5米、高5米的圆柱形,有着不锈钢的外壳,内装透明的“液闪”(液体闪烁体)。好几个探测器沉入水池,尽可能屏蔽干扰射线。

  水和“液闪”的主成分烷基苯的质子密度都很高。大亚湾核反应堆每天产生10的26次方个反中微子,穿过水和烷基苯时,每天1000个中微子迎面撞上质子,抛出光子和中子;中子跟液闪反应放出光子。微弱的光被探测器内的光电倍增管放大并记录。从光强度算出中微子能量。

  距离反应堆较近和较远的探测器探测到的中微子能量不同,说明中微子在1000多米的路上“变身”了。

  尽管厚厚的山体屏蔽,干扰仍然不断:实验设备的异常高压、核反应堆异常、宇宙射线……每天有360个中微子闪烁,但却有25万个宇宙射线闪烁。层层套娃一样的容器是为了辨别有效和无效闪光。筛选后,每天300GB的压缩数据送往中科院和美国伯克利国家实验室。

  几个小的、模块化的探测器是中国人的首创。小探测器使隧道面无需太阔。中国人的另一成功之处,是调配出了长时间保持清澈的液闪,这可比调一杯鸡尾酒难多了。为了加速中微子反应的闪光,液闪中得掺入稀土元素钆,中国与美国有各自的配方。测试表明,中国的液闪世界第一。

  探测器钢罐壁厚1厘米,变形要控制在1毫米内。制造厂经过80多次焊接试验,用时一年多才造出来。

  2016年2月,大亚湾装置还测得了迄今为止最精确的反应堆中微子能谱,发现与理论预期存在两处偏差。这开启了新的课题。

  “中微子是什么粒子,我们并没搞清楚。”中科院高能物理所研究员曹俊说,标准理论模型赋予质量的是希格斯粒子,但中微子质量较之低了15个量级,“很不自然”。为了解释中微子为何如此轻,学者倾向于“跷跷板机制”:或许有种重的中微子,叫惰性中微子,它可能是暗物质的组成部分。破解中微子之谜的征途上,大亚湾实验搭起了一座必经之桥。

  (原载于《科技日报》 2017-01-10 03版)


 
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