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走近中国大科学工程:大亚湾中微子装置

■走近中国大科学工程

图① 大亚湾中微子实验的整体布局。图②
110吨重的中微子探测器正在吊装入10米深的水池中。图③
中微子探测器成功安装在巨型水池之中。

■走近中国大科学工程

中微子——基本粒子中最诡秘的一位,落入了中国人的陷阱,并招供出它的变身秘密。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——大亚湾中微子装置。它在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式,引起世界瞩目;《科学》杂志网站说,大亚湾实验装置“可以说是中国有史以来最重要的物理学成果”。

在2016年度国家科学技术奖励大会上,大亚湾反应堆中微子实验凭借其对我国粒子物理的巨大贡献荣获国家自然科学奖一等奖。此次实验的成功填补了我国在中微子这个基础物理研究领域的空白,提升了我国物理学家的国际影响力。首次尝试中微子振荡研究就取得如此骄人的成绩,这在国际上都是十分罕见的。那么,什么是中微子振荡?这次实验又是如何成功的?且听《经济日报》记者向您娓娓道来。

中微子——基本粒子中最诡秘的一位,落入了中国人的陷阱,并招供出它的变身秘密。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——大亚湾中微子装置。它在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式,引起世界瞩目;《科学》杂志网站说,大亚湾实验装置“可以说是中国有史以来最重要的物理学成果”。

大亚湾发现中微子第三种变化

“幽灵”粒子 来去无踪

大亚湾发现中微子第三种变化

中微子来自核反应堆、太阳、超新星、地球内核等处,携带着暗物质和天体的秘密。它们是基本粒子中的“隐士”,质量小,不带电,几乎不与任何粒子反应。只有大亚湾装置这样包含海量粒子的探测器,才能侥幸拦下来几个中微子。

中微子常用符号ν表示,与带电轻子、夸克一同被称为构成物质世界最基本的粒子。人们叫它“闪电侠”——中微子质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动,具有极强的穿透力,可以轻松穿过地球直径那么厚的物质;人们叫它“独行侠”——中微子只参与非常微弱的弱相互作用,在亿万个中微子中只有个别会与物质发生反应,因此中微子的检测十分困难。它难以琢磨——中微子有大量谜团尚未解开,包括它的质量大小和起源、磁矩、CP破坏大小等等,却又无处不在——宇宙中充斥着大量的中微子,大约每立方厘米300个,大多数粒子物理和核物理过程中都伴随着中微子的产生,例如核裂变、核聚变、贝塔衰变等。

中微子来自核反应堆、太阳、超新星、地球内核等处,携带着暗物质和天体的秘密。它们是基本粒子中的“隐士”,质量小,不带电,几乎不与任何粒子反应。只有大亚湾装置这样包含海量粒子的探测器,才能侥幸拦下来几个中微子。

中微子分三种:电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——一种类型变成另一种。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种已在大气中微子和太阳中微子实验中找到。

中微子在飞行过程中,从一种类型转变成另一种类型的现象叫做中微子振荡,科学家用三个混合角来描述三种中微子相互转化时的振荡幅度,分别是θ12、θ23、θ13。

中微子分三种:电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——一种类型变成另一种。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种已在大气中微子和太阳中微子实验中找到。

大亚湾实验是对第三种振荡模式的测量。这种振荡中,主要由电子中微子组成的“大队人马”,在行军路上变成了主要由τ中微子组成的团队。θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。

1998年的超级神冈实验和2001年SNO实验先后测出混合角θ12、θ23的大小,证实了中微子有质量,并因此获诺贝尔物理学奖。但第三种振荡混合角θ13却迟迟没有被发现,直到2012年大亚湾中微子实验首次公布了对θ13的精确测量结果。“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”诺贝尔物理学奖得主李政道如是评价大亚湾实验。

大亚湾实验是对第三种振荡模式的测量。这种振荡中,主要由电子中微子组成的“大队人马”,在行军路上变成了主要由τ中微子组成的团队。θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。

由于科学意义重大,国际上曾先后提出了8个相似的中微子实验方案。中科院高能物理所提出的大亚湾实验方案因具有地理优势,设计独特,取得了国际上的关注。美国能源部就放弃了支持本国的两个实验方案,转而支持美国科学家加入大亚湾实验的合作。

大亚湾实验的科学意义在于θ13值的确定,使科学界得以更深入了解中微子的基本特性,预示着中微子的全部奥秘有望在不远的将来被彻底解开。“基础研究的主要目的是为了认识世界,此次实验的成功标志着我们对自然界的发现又迈出了新的一步,这是我们对人类作出的贡献。”大亚湾中微子实验首席科学家、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说。

由于科学意义重大,国际上曾先后提出了8个相似的中微子实验方案。中科院高能物理所提出的大亚湾实验方案因具有地理优势,设计独特,取得了国际上的关注。美国能源部就放弃了支持本国的两个实验方案,转而支持美国科学家加入大亚湾实验的合作。

大亚湾的科学家本来预计,实现测量θ13到1%精度的实验目标,大约需要两年。但开始取数后3个月,2012年3月,他们就宣告胜利。大亚湾实验装置的成功是把θ13算得很准——8.8度,误差为正负0.8度。

除此之外,大亚湾实验从高精度大型探测器加工到特殊材料,从化学化工到高速读出电子学,提升了我国在相关领域的技术水平,并培养出一批具有国际水准的青年科研人员,为我国基础物理研究的发展打下了坚实基础。

大亚湾的科学家本来预计,实现测量θ13到1%精度的实验目标,大约需要两年。但开始取数后3个月,2012年3月,他们就宣告胜利。大亚湾实验装置的成功是把θ13算得很准——8.8度,误差为正负0.8度。

精巧的实验设计

追求完美 抢占先机

精巧的实验设计

从阳光灿烂的海滨,到钻入黑暗的山洞。全长3000多米大亚湾排牙山隧道,3个相连的像电影厅一样大小的地下实验室中,分布着8个中微子探测器。每个探测器是直径5米、高5米的圆柱,有着不锈钢的外壳,内装透明的“液闪”。它们被放在水池中。

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