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大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡
2012-03-08|文章来源: |【
 

  北京时间2012年3月8日14时,大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布,大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。介绍该结果的论文已于3月7日送交美国物理评论快报(Physical Review Letters)发表,其预印本也已在网上发表。3月8日16时,王贻芳在中国科学院高能物理研究所做学术报告,并通过网络直播,向全世界的粒子物理学家报告他们的结果。

  中微子是一种不带电,质量极其微小的基本粒子,共有三种类型,即电子中微子、μ中微子和τ中微子,在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中,占了四分之一,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质,即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式自60年代起即有迹象,当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡,随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。第三种振荡则一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在(即其振荡几率为零)。

  中国科学院高能物理研究所的科研人员2003年提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的这第三种振荡,其振荡几率用sin213表示。中国高能物理学会理事长赵光达院士表示,“θ13不仅是物理学中的一个基本参数,其数值的大小也对未来中微子物理的发展方向起着决定性的作用。如果它足够大,我们就能进行下一代实验来测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性(CP)破坏,以理解宇宙中物质-反物质不对称现象,即宇宙中‘反物质消失之谜’。否则我们就不知道如何进行下一代实验”。

  大亚湾中微子实验位于深圳市区以东约50公里的大亚湾核电站群附近的山洞内,地理位置优越,紧邻世界上最大的核反应堆群之一的大亚湾核电站与岭澳核电站,并且紧邻高山,有天然的宇宙线屏蔽。高能所的科研人员于2003年提出了实验和探测器设计的总体方案,2006年获得批准立项,2007年10月破土动工。整个实验计划建设总长3公里的隧道和3个地下实验大厅,其中两个近厅各放置两个中微子探测器,远厅放置4个探测器,共8个全同的中微子探测器。每个探测器5米高,5米直径,重110吨,均置于10米深的水池中。中国科学院数理学部主任、国家自然科学基金委员会副主任沈文庆院士表示,“大亚湾实验采用了一系列创新性的设计思想,其设计指标和精度国际最高,设计方案和研制工艺先进,在探测器模块化、可移动、采用反射板、掺钆液体闪烁体等多项设计与技术方面具有独创性,达到和超过了世界先进水平”。

  用反应堆中微子测量θ13科学意义重大,国际上在2003年左右先后有7个国家提出了8个实验方案,最终进入建设阶段的共有3个,包括中国的大亚湾实验,法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。在激烈的国际竞争中,大亚湾实验采取了多种措施,克服了重重困难,终于在2010年12月完成核电站附近的全部爆破任务,2011年中逐步完成了探测器的建造与安装,2011年8月开始近点取数,12月24日开始远近点同时运行。

  为抢在竞争对手之前获得物理结果,科研人员将实验分为两个阶段,这次报告的结果就来自第一阶段的数据,自2011年12月24日起至2012年2月17日结束,只用了6个中微子探测器,其中2个在大亚湾近厅,1个在岭澳近厅,3个在远厅。经过大家夜以继日的努力,完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明,sin213为9.2%,误差为1.7%,以超过5倍的标准偏差确定sin213不为零,首次发现了这种新的中微子振荡模式。中国物理学会理事长、中国科学院副院长詹文龙院士评价说,“大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。它不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性,也使我们知道未来的中微子物理发展有一个光明的前景:我们可以较为容易地建造下一代中微子实验来寻找中微子振荡中的CP破坏,并搞清楚不同种类的中微子的质量顺序。大亚湾中微子项目是以我为主的国际合作,也是美国能源部基础研究领域对外投资第二大的国际合作(第一是与CERN的合作),希望大亚湾项目能进一步发展,成为下一代我国大型国际科学研究装置的候选项目之一”。

(实验表明,sin213为9.2%,误差为1.7%,以超过5倍的标准偏差确定sin213不为零,首次发现了这种新的中微子振荡模式。)

 

  大亚湾反应堆中微子实验项目得到了科技部、中国科学院、自然科学基金委和广东省、深圳市和中国广东核电集团的共同支持,同时也得到了美国能源部及其它境外机构的支持,是我国基础科学领域最大的国际合作项目。现任中科院院长的白春礼曾在2007年的开工仪式上指出,“大亚湾中微子实验项目对于加强基础研究领域的国际合作、提高我国在该领域的原始性创新能力都具有十分重要的意义”,并亲自与美国能源部和国内相关部门、地方等协调,推进项目建设,开创了国际、国家、地方政府及企业共同支持基础研究的先例,成为协同创新的典范。目前,共有100多位来自中科院高能所、清华大学、上海交通大学、山东大学、中国原子能研究院等中国大陆的科研单位的学者和100多位来自美国、俄罗斯、捷克及中国香港、台湾地区的科学家参加。

  

大亚湾反应堆中微子实验国际合作组成员单位

  中国:北京师范大学、成都理工大学、中国广东核电集团、中国原子能研究院、香港中文大学、东莞理工学院、香港大学、中国科学院高能物理研究所、南开大学、华北电力大学、台湾交通大学、南京大学、台湾大学、台湾联合大学、山东大学、上海交通大学、深圳大学、清华大学、中国科学技术大学、中山大学

  美国:布鲁克海文国家实验室、加州理工学院、伊利诺理工学院、爱荷华州立大学、劳伦斯伯克利国家实验室、普林斯顿大学、伦斯勒理工学院、锡耶纳学院、辛辛那提大学、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、休斯顿大学、伊利诺大学香槟分校、弗吉尼亚理工大学、威斯康辛大学、威廉与玛丽学院

  俄罗斯:联合核子研究所、库尔恰托夫研究所

  捷克:查理斯大学

新闻发布会现场

王贻芳介绍大亚湾实验物理成果

 

  

专题:大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式

新闻发布会报告:大亚湾中微子实验发现电子反中微子消失——一种新的中微子振荡

学术报告:Observation of Electron Anti-neutrino Disappearance at Daya Bay

 


 
 
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