中微子實驗：看神秘粒子如何“振蕩”世界

　　 在2016年度國家科學技術獎勵大會上，大亞灣反應堆中微子實驗憑借其對我國粒子物理的巨大貢獻榮獲國家自然科學獎一等獎。此次實驗的成功填補了我國在中微子這個基礎物理研究領域的空白，提升了我國物理學家的國際影響力。首次嘗試中微子振蕩研究就取得如此驕人的成績，這在國際上都是十分罕見的。那么，什么是中微子振蕩？這次實驗又是如何成功的？且聽《經濟日報》記者向您娓娓道來。

    圖① 大亞灣中微子實驗的整體布局。

    圖② 110噸重的中微子探測器正在吊裝入10米深的水池中。

    圖③ 中微子探測器成功安裝在巨型水池之中。

    （資料圖片）

　　“幽靈”粒子 來去無蹤

　　中微子常用符號ν表示，與帶電輕子、夸克一同被稱為構成物質世界最基本的粒子。人們叫它“閃電俠”——中微子質量非常輕（小于電子的百萬分之一），以接近光速運動，具有極強的穿透力，可以輕松穿過地球直徑那么厚的物質；人們叫它“獨行俠”——中微子只參與非常微弱的弱相互作用，在億萬個中微子中只有個別會與物質發生反應，因此中微子的檢測十分困難。它難以琢磨——中微子有大量謎團尚未解開，包括它的質量大小和起源、磁矩、CP破壞大小等等，卻又無處不在——宇宙中充斥著大量的中微子，大約每立方厘米300個，大多數粒子物理和核物理過程中都伴隨著中微子的產生，例如核裂變、核聚變、貝塔衰變等。

　　中微子在飛行過程中，從一種類型轉變成另一種類型的現象叫做中微子振蕩，科學家用三個混合角來描述三種中微子相互轉化時的振蕩幅度，分別是θ12、θ23、θ13。

　　1998年的超級神岡實驗和2001年SNO實驗先后測出混合角θ12、θ23的大小，證實了中微子有質量，并因此獲諾貝爾物理學獎。但第三種振蕩混合角θ13卻遲遲沒有被發現，直到2012年大亞灣中微子實驗首次公布了對θ13的精確測量結果。“這是物理學上具有重要基礎意義的一項重大成就。”諾貝爾物理學獎得主李政道如是評價大亞灣實驗。

　　大亞灣實驗的科學意義在于θ13值的確定，使科學界得以更深入了解中微子的基本特性，預示著中微子的全部奧秘有望在不遠的將來被徹底解開。“基礎研究的主要目的是為了認識世界，此次實驗的成功標志著我們對自然界的發現又邁出了新的一步，這是我們對人類作出的貢獻。”大亞灣中微子實驗首席科學家、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳說。

　　除此之外，大亞灣實驗從高精度大型探測器加工到特殊材料，從化學化工到高速讀出電子學，提升了我國在相關領域的技術水平，并培養出一批具有國際水準的青年科研人員，為我國基礎物理研究的發展打下了堅實基礎。

　　追求完美 搶占先機

　　2003年前后，來自不同國家的科學家們共提出8個可能測出θ13的實驗方案，其中就包括大亞灣反應堆中微子實驗方案。如何在與美國、日本、歐洲等經驗豐富團隊的激烈競爭中脫穎而出？

　　“取勝的第一點原因是，我們的實驗設計精度比別人高。”王貽芳告訴記者，大亞灣實驗的測量精度比過去的實驗高出約一個數量級，在8個國際同類方案中精度是最高的。“我們要為世界提供一個最精確的振蕩參數，要做就做到極致。”王貽芳說。

　　“其次，我們的方案設計有優勢、有創新。”王貽芳說，大亞灣實驗采用遠近相對測量方法，在反應堆附近和距反應堆2000米左右的地方各放一個探測器。如此一來，便能夠部分抵消探測效率、靶的有效體積、靶核數目和能量測量等與探測器相關的誤差，提高實驗靈敏度。

　　此外，大亞灣實驗還創造性地在一個實驗廳內放置多個相同的探測器，這是國際上唯一采用這種設計方法的中微子實驗。多個全同探測器的測量便于比較，使實驗誤差又降低了“根號n倍”。

　　在實驗廳位置的選擇上，設計者們也花費一番心思。為了解決遠近點探測器放置位置、宇宙射線產生本底、山體覆蓋厚度等問題，科學家們將1:5000的數字化地形測量圖予以轉換，得到山體輪廓，在平面圖上以50米為一格，比較了3個實驗大廳移動到不同位置時測量θ13的靈敏度，定量地計算出不同因素對測量結果的影響，從而確定大亞灣實驗的總體布局。

　　“如果要取得成功，所有的事情都得做對。”大亞灣實驗擁有最大的反應堆功率、最合適的遠點基線、最大的探測器質量以及最深的巖石覆蓋。再加上科學家們力求卓越的設計理念、精益求精的研究態度，讓實驗在測量精度、靈活度以及可靠性上都達到了前所未有的高度，使得大亞灣實驗成為“中國有史以來最重要的物理學成果”。

　　技術創新 攻克難關

　　液體閃爍體（下文簡稱液閃）是中微子實驗使用的探測介質，釓是一種稀土元素，在液閃中摻釓可以放大關聯信號，提高探測精度。但如何在液閃中摻釓并保持其穩定性是大亞灣實驗的重中之重，也是難以突破的瓶頸。大亞灣中微子實驗項目副經理曹俊告訴記者，把無機物釓摻到由有機物組成的液閃中，由于不相溶，釓便會析出，導致液閃無法有效地探測。“將化學技術與核物理相結合，這種跨界研發確實比較困難。”曹俊說。

　　高能所化學專家張智勇告訴曹俊可以將釓變成有機的釓絡合物，從而提高其在有機液閃中的溶解度。通過多次實驗，嘗試了多種配體用來生成釓的絡合物，最終發現，異壬酸與釓反應生成的絡合物進入液閃后對液閃的透明度和光產額等沒有明顯影響，完全滿足實驗要求。

　　與此同時，美國布魯克海文國家實驗室也在攻克摻釓液閃穩定性的難題，并對高能所的配方心存疑慮。“這是完全可以理解的，我們彼此相互交換樣品測試，都覺得有一定的可行性，但最終用誰的一直相持不下。”王貽芳說。

　　作為捕獲中微子的核心物質，摻釓液閃一旦出現問題，整個實驗都將功虧一簣。中美雙方分別提供樣品，由位于香港大學的第三方實驗室開展光學性能和穩定性的測量。最終，高能所研制的摻釓液閃完美地通過了考核，其配方和工藝為大亞灣實驗的順利完成立下了汗馬功勞。

　　技術難關被攻克以后，大規模生產又給大亞灣的科學工作者們出了一道難題。為了防止金屬進入液閃中影響摻釓液閃穩定性，所有與液閃接觸的部分都要使用有機玻璃和氟塑料，這就給加工、生產以及運輸帶來了很大的困難。

　　實驗所需的摻釓液閃分50個批次生產，整個過程中，現場人員層層把關、步步小心，通過合理的分工、密切的合作以及不辭勞苦地晝夜奮斗，終于在不到兩個半月的時間內就完成了50個批次的全部生產工作，重復性非常好。時至今日，大亞灣實驗已經運行數年，摻釓液閃依然很穩定，完全滿足取數要求。

　　展望未來 國際領先

　　大亞灣實驗在測量θ13數值中拔得頭籌，使得我國中微子物理研究向前邁出了堅實的一大步。但是，中微子世界還有許多未解之謎有待探索和解答。“目前中微子研究一個很重要的方向是測量其質量順序，這也是江門中微子實驗的首要科學目標。”王貽芳介紹說。

　　江門中微子的實驗原理與大亞灣實驗相同，即用液閃探測器探測反應堆中微子，但難度大得多。一方面，為了測到足夠多的中微子，探測器的有效質量需達2萬噸；另一方面，為了保證測到的數據足夠精確，在倍增能量精度的同時還要盡可能地提高光子轉化成電子的效率（稱為量子效率）。

　　對此，高能所的科學家們集思廣益，為江門中微子實驗出謀劃策。首先，設計了目前世界上尺寸、規模最大的中微子探測器；其次，將用于接受光子的光電倍增管覆蓋全部探測器，使其排布效率達到極限；最后，高能所的科學家們與多家研究院所、企業合作，經過多年努力，終于研發出一種新型的高量子效率光電倍增管，并將用于江門中微子實驗。

　　江門中微子實驗于2013年立項，預計2020年運行取數,大約運行5年后可以給出中微子質量順序的確切答案。該實驗不僅能測量中微子質量順序，還將精確測量中微子振蕩的6個基本參數中的3個至優于1%精度的國際最高水平，以檢測中微子混合的幺正性、尋找新物理，并可以在超新星中微子、地球中微子、太陽中微子、暗物質尋找、質子衰變等方面作出貢獻。“在完成首要科學目標以后，我們還計劃對江門中微子實驗做出進一步的升級改造，以研究中微子是否是自身的反粒子。”王貽芳說。

　　下一代中微子實驗還包括韓國的反應堆中微子實驗、美國的加速器中微子實驗以及其在南極的大氣中微子實驗、法國在地中海的大氣中微子實驗等。中微子世界的未解之謎正是我國粒子物理實現跨越式高速發展、達到國際領先水平的助推器。