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中微子实验有了新目标

2020-12-21 09:20:45来源:人民日报 编辑:佚名 点击量:27649

4个中微子探测器安装在巨大的水池中。

中国科学院高能物理研究所供图

大亚湾中微子实验3号实验厅,位于山腹之中,上面是360米的岩石层。

2020年12月12日,中科院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳在这里的实验控制屏前按下停止按钮,并宣布:“大亚湾反应堆中微子实验(以下简称“大亚湾实验”)圆满完成科学任务,正式退役!”

从2011年12月24日大亚湾实验三个实验厅同时运行开始,至此,大亚湾实验共运行了3275天。

首次发现中微子的第三种振荡模式

2012年,是大亚湾实验备受关注的一年。

这一年3月,王贻芳领衔的大亚湾实验团队宣布,历时6年的大亚湾实验取得了重大突破——首次发现了中微子的第三种振荡模式,并精确测量到其振荡概率。这项成果在国际高能物理界引起热烈反响,被誉为“开启了未来中微子物理发展的大门”。

同年底,该成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破,此后,王贻芳和团队获得了累累殊荣,其中包括被称为科学界“第一巨奖”的基础物理学突破奖。

构成物质世界的12种基本粒子中,中微子就占了1/3,它在宇宙中广泛存在。由于它几乎不跟任何物质发生作用,不容易被捕捉到,因此也成为人类迄今为止了解最少的一种基本粒子。

“然而,了解中微子非常重要,对它的认识和研究将有助于揭开宇宙演变的诸多奥秘。”王贻芳说。

根据“大爆炸”理论,宇宙在诞生之时,物质与反物质应该是等量产生的。但在过去的近百年里,人类在可观测到的宇宙范围内,一直没有发现宇宙中有大量反物质存在的迹象。截至目前,科学家们认为,反物质已经消失了。那反物质到底去哪儿了?这是宇宙起源和演化中的一个重大谜团,而中微子振荡或许是解开这个谜团的钥匙。

要解开这个谜团,中微子混合参数θ13数值的测量是必须跨越的一步。

王贻芳说:“中微子混合参数总共有6个,以前已经有3个半被测出了。只有对混合参数θ13完成测量之后,科学家才能进行下一步工作。”

2003年冬天,当时还是中国科学院高能物理研究所一名普通研究员的王贻芳注意到,利用反应堆中微子来测θ13已成为国际热点,多个外国团队正打算进行同类实验。

“中国绝不能错失这次机会,应该积极参与其中。”同年,王贻芳便提出实验方案,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的第三种振荡,并和同事们设计出了实验装置。此后,经过多方奔走呼吁,2006年,大亚湾实验项目获准立项,成为当时我国基础科学领域最大的国际合作项目。

要捕捉到来无影去无踪的中微子,探测器要足够大和足够灵敏,同时还必须不被宇宙线影响。因此,世界各国的中微子探测器大多建在地下,用厚重的岩层来屏蔽宇宙中各种高能粒子的影响。大亚湾实验也不例外,3个实验大厅,均位于山腹内,由水平隧道相连,上面是厚达几百米的岩石层。

由于绝佳的实验设计方案,起初并不被国内外同行看好的王贻芳团队,在大亚湾实验建成运行后,仅用了55天时间,便发现了一种新的中微子振荡模式,并精确测量了混合参数θ13。

此后,大亚湾实验基于持续累积的统计量和分析技术的改进,不断更新θ13的测量结果,一直保持世界最高精度。

“在可以预见的未来,大亚湾实验的测量精度也不会被其他实验超越。”王贻芳笃定地说。

为何要在此时选择退役

运行近十年,大亚湾实验硕果累累。

2013年,完成了中微子能谱分析研究,进而首次直接测量了与反应堆中微子振荡相关的质量平方差。

2016年,精确测量了反应堆中微子能谱,发现与理论模型存在两种偏差......

在外界看来,成果频出的大亚湾实验项目正当壮年。为何要在此时按下停止键?

对此,王贻芳的回答是:“以前设定的科学目标已经都实现了,继续运行很大程度上是为了提高测量精度,但如果精度不能再进一步提高,继续运行就没有任何意义。”

大亚湾实验的设计方案在2003年就提出了,距今已有17年。

“当年设计时,我们就是按当时可能实现的最高精度来设计的。今天如果让我们再重新设计,仍然无法做到再提高精度,因为已经到极限了。”王贻芳说。

除了一系列重大科学发现外,大亚湾反应堆中微子实验还为我国培养了一大批青年科研人才。中科院高能物理研究所研究员温良剑就是其中之一,12月12日这天,他也在仪式现场,和大家一起见证了大亚湾实验的退役时刻。

当装有探测器的水池盖完全打开后,温良剑为观看直播的观众讲解了探测器捕获中微子的过程。

“水池中的4个圆柱形钢罐,就是探测中微子的中心探测器,每个直径5米,高5米,里面装有液体闪烁体,重110吨。”温良剑说,“中微子在探测器内发生反应后能够激发液体闪烁体,产生微弱的闪烁光。光电倍增管探测到闪烁光,将它转换成电信号,这样我们就探测到了中微子。”

这样装有探测器的水池,在大亚湾中微子实验室总共有3个,打开其中之一的盖子仅仅是完成了实验装置撤除的第一步。

中科院高能物理研究所研究员曹俊介绍:“在接下来的6个月中,我们将把纯净水放空,然后把每个中心探测器打开,一层层撤除里面的部件。有些器件将会被其他实验再利用,比如正在建设中的江门中微子实验等,有些部件和材料则会进行无害化处理。”

此外,1号实验厅将被改造成大亚湾中微子实验的科普展馆,继续供大家参观。

温良剑说:“实验虽然停止运行了,但实验数据物理分析还要做两到三年左右,后续几年还会有重要成果陆续出来。”

新实验瞄准“中微子质量顺序测量”

就在大亚湾实验宣布退役之际,同在广东省的江门中微子实验(以下简称江门实验)正在如火如荼的建设当中。

在江门市西南部的打石山中,大亚湾实验原团队打算造一个全世界最大的液体闪烁体探测器来继续捕捉中微子。这个探测器的主体是一个12层楼高的有机玻璃球,里面盛装2万吨液体闪烁体。这是迄今为止中国最复杂的高能物理实验装置,预计2022年建成。

“与当前最好的国际同类设备相比,它的规模要大20倍,分辨率提高一倍。”王贻芳说。

大亚湾实验结果公布之后,中微子质量顺序测量成为下一步的研究热点,美国、日本、印度等国家逐渐明确了下一步的计划。

这一方向,王贻芳团队也早有谋划。

“中微子质量顺序测量的实验能不能做,取决于一个前提,即中微子第三种振荡的几率一定要够大。”

后来,大亚湾实验测到了中微子第三种振荡,振荡几率大小为9.2%。这一结果远远超过他们的期待值。团队科研人员心里有底了:“后续的中微子实验能做!”

最终,实验选址广东江门,距阳江和台山反应堆群分别约53公里。

不少人认为,江门实验只是大亚湾实验简单的“增大”版。

对此,王贻芳特别解释和强调,两个实验虽然都是研究中微子,但具体科学目标完全不同。大亚湾实验的科学目标是利用核反应堆产生的中微子来测定中微子第三种振荡模式,而江门实验是要实现对中微子质量顺序和中微子振荡参数的精确测量。

“中微子的质量是自然界的基本参数,影响宇宙的演化进程。知道了质量顺序,可以为确定中微子质量和其他研究铺路。”王贻芳说。

6个月后,大亚湾实验将彻底完成拆除,结束使命,而新的江门实验即将准备就绪。从大亚湾实验到江门实验,中国高能物理科学家们一直在向更高的精度挑战。在他们看来,精度越高,能够发现的东西就越多,对世界的认知就越深入。


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责任编辑:赵亚宣

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