大亞灣裝置：攔下中微子，看看究竟

　　本報記者 高 博

　　■走近中國大科學工程

　　中微子——基本粒子中最詭秘的一位，落入了中國人的陷阱，並招供出它的變身秘密。深圳大亞灣核反應爐群的360米外，百米高的花崗岩山體腹中，藏著中國迄今最成功的粒子物理實驗裝置——大亞灣中微子裝置。它在2012年3月8日宣佈成功發現了新的中微子振蕩模式，引起世界矚目；《科學》雜誌網站説，大亞灣實驗裝置“可以説是中國有史以來最重要的物理學成果”。

　　大亞灣發現中微子第三種變化

　　中微子來自核反應爐、太陽、超新星、地球內核等處，攜帶著暗物質和天體的秘密。它們是基本粒子中的“隱士”，品質小，不帶電，幾乎不與任何粒子反應。只有大亞灣裝置這樣包含海量粒子的探測器，才能僥倖攔下來幾個中微子。

　　中微子分三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們可以“振蕩”——一種類型變成另一種。3種振蕩的量化描述是θ12、θ23和θ13。前兩種已在大氣中微子和太陽中微子實驗中找到。

　　大亞灣實驗是對第三種振蕩模式的測量。這種振蕩中，主要由電子中微子組成的“大隊人馬”，在行軍路上變成了主要由τ中微子組成的團隊。θ13數值的大小決定了未來中微子物理研究的設計方向。

　　由於科學意義重大，國際上曾先後提出了8個相似的中微子實驗方案。中科院高能物理所提出的大亞灣實驗方案因具有地理優勢，設計獨特，取得了國際上的關注。美國能源部就放棄了支援本國的兩個實驗方案，轉而支援美國科學家加入大亞灣實驗的合作。

　　大亞灣的科學家本來預計，實現測量θ13到1％精度的實驗目標，大約需要兩年。但開始取數後3個月，2012年3月，他們就宣告勝利。大亞灣實驗裝置的成功是把θ13算得很準——8.8度，誤差為正負0.8度。

　　精巧的實驗設計

　　從陽光燦爛的海濱，到鑽入黑暗的山洞。全長3000多米大亞灣排牙山隧道，3個相連的像電影廳一樣大小的地下實驗室中，分佈著8個中微子探測器。每個探測器是直徑5米、高5米的圓柱，有著不銹鋼的外殼，內裝透明的“液閃”（液體閃爍體）。它們被放在水池中。

　　無論是水，還是“液閃”的主要成分烷基苯，質子密度都很高。附近的核反應爐，每天産生10的26次方個反中微子，它們穿過水和烷基苯時，極少數（每天1000個）會迎面撞上質子，産生光子和中子；中子再跟液閃反應，放出光子。液閃中的釓會加速這個過程。微弱的光，被探測器內的光電倍增管放大，得以記錄下來。中微子能量越高，反應射出的光就越強，但不是成比例的，需要科學家從光的強度算出中微子的能量。

　　如果距離反應堆較近處和較遠處的探測到的中微子能量差別明顯，就説明中微子在從近到遠的1000多米“變身”了。

　　大亞灣實驗數據每隔十幾分鐘都會由電腦壓縮後傳送到中科院計算中心和美國伯克利國家實驗室計算中心，每天的數據量是300GB左右。實驗無法避免干擾：實驗設備的異常高壓、核反應爐異常、宇宙射線等等。每天有360個中微子相關的閃爍，但卻有25萬個宇宙射線造成的閃爍。數據必須篩選後提交。

　　中國製造是保障

　　中科院高能物理所所長王貽芳説，實驗設計不是建造一個大的整體探測器以提高精度，而是做成幾個小的、模組化的探測器，這是中國人的首創。它不僅便於實驗中探測器的遠近點交換，而且也減小了探測器的體積，可使隧道截面不至於過大，便於安裝。

　　“高能所提出了獨到的實驗方案，實驗設計指標和精度國際最高。”王貽芳説，同一實驗廳放置2—4個全同探測器進行對比測量的方案，中方曾與美國合作者發生過激烈爭論，實驗數據後來證實了中國方案的有效。

　　在液閃中摻雜稀土元素釓這一國際難題，也是中國人解決的。在研製液閃的過程中，中國人與美國人都有各自的配方，並且都認為自己的最好。爭執中，雙方只得找第三方測試。測試結果是，中國人的液閃品質更高，能讓液閃長期保持澄清。

　　工程建造的中心探測器的鋼罐，直徑5米、高5米，其壁厚僅1釐米，變形還要控制在1毫米之內。製造廠商説，為了這個獨一無二的鋼罐，他們進行了80多次焊接試驗，製造這樣一個20噸的鋼罐用時一年多。

　　當裝配大廳的水泥地面建設完工後，來自美國的科學家，趴在地上一寸一寸用硬木敲擊，側耳傾聽，保證地面沒有一點點空隙，以確保設備的安裝品質。他們發現中國人的施工品質無可挑剔。

　　優質工程讓大亞灣在國際科學競賽中率先撞線。

　　第二代實驗裝置也在廣東

　　2016年2月，大亞灣裝置傳出新消息，科學家測得了迄今為止最精確的反應堆中微子能譜，併發現與理論預期存在兩處偏差。反應堆産生的中微子比某些模型的預期值低6％。這是理論的缺陷，還是惰性中微子振蕩引起的呢？離大亞灣200公里外的廣東江門正在建造的下一代中微子實驗裝置可能回答這個問題。由中、法、德、意、俄、美等國的200多位科學家組成的江門地下中微子實驗（JUNO）國際合作組已經成立，王貽芳任合作組發言人。

　　JUNO實驗裝置設在開平市打石山700米的人工洞穴裏。目前正在初步施工，預計2019年底建成運作。JUNO實驗的規模將比大亞灣中微子實驗大100多倍，計劃運作至少20年，10億元級別的投資，使其成為中國最龐大的高能物理裝置。

　　JUNO的眼力將比大亞灣裝置更敏銳。能譜好比中微子的手相，JUNO能瞄出平滑的掌紋上細小的皺褶，從而説出中微子的本質。

　　“中微子是什麼粒子？我們並沒搞清楚。因為它最不好測。”中微子科學家、中科院高能物理所研究員曹俊説，目前的粒子標準理論模型中，賦予大家品質的是希格斯粒子，但中微子品質較之低了15個量級，“很不自然”。為了解釋中微子為何如此輕，理論學者都傾向於相信一種蹺蹺板機制，認為有一種重的中微子還沒有發現，叫惰性中微子，它也可能是暗物質的組成部分。JUNO以它極高的偵測精度，將幫助科學家理解中微子的本質。

　　另外，曹俊説，JUNO裝置也可探測超新星中微子和地球內核中微子，開啟中國在這兩方面的研究。

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