大亞灣中微子科研裝置 走近中國大科學(xué)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，并招供出它的變身秘密。深圳大亞灣核反應堆群的360米外，百米高的花崗巖山體腹中，藏著(zhù)中國迄今最成功的粒子物理實(shí)驗裝置——大亞灣中微子裝置。它在2012年3月8日宣布成功發(fā)現了新的中微子振蕩模式，引起世界矚目；某科學(xué)網(wǎng)站說(shuō)，大亞灣實(shí)驗裝置“可以說(shuō)是中國有史以來(lái)最重要的物理學(xué)成果”�！�

　　大亞灣發(fā)現中微子第三種變化　　

　　中微子來(lái)自核反應堆、太陽(yáng)、超新星、地球內核等處，攜帶著(zhù)暗物質(zhì)和天體的秘密。它們是基本粒子中的“隱士”，質(zhì)量小，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，才能僥幸攔下來(lái)幾個(gè)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(lèi)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(yáng)中微子實(shí)驗中找到�！　�

　　大亞灣實(shí)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(lái)中微子物理研究的設計方向�！　�

　　由于科學(xué)意義重大，國際上曾先后提出了8個(gè)相似的中微子實(shí)驗方案。中科院高能物理所提出的大亞灣實(shí)驗方案因具有地理優(yōu)勢，設計獨特，取得了國際上的關(guān)注。美國能源部就放棄了支持本國的兩個(gè)實(shí)驗方案，轉而支持美國科學(xué)家加入大亞灣實(shí)驗的合作�！　�

　　大亞灣的科學(xué)家本來(lái)預計，實(shí)現測量θ13到1％精度的實(shí)驗目標，大約需要兩年。但開(kāi)始取數后3個(gè)月，2012年3月，他們就宣告勝利。大亞灣實(shí)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(shí)驗設計　　

　　從陽(yáng)光燦爛的海濱，到鉆入黑暗的山洞。全長(cháng)3000多米大亞灣排牙山隧道，3個(gè)相連的像電影廳一樣大小的地下實(shí)驗室中，分布著(zhù)8個(gè)中微子探測器。每個(gè)探測器是直徑5米、高5米的圓柱，有著(zhù)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(wú)論是水，還是“液閃”的主要成分烷基苯，質(zhì)子密度都很高。附近的核反應堆，每天產(chǎn)生10的26次方個(gè)反中微子，它們穿過(guò)水和烷基苯時(shí)，極少數（每天1000個(gè)）會(huì )迎面撞上質(zhì)子，產(chǎn)生光子和中子；中子再跟液閃反應，放出光子。液閃中的釓會(huì )加速這個(gè)過(guò)程。微弱的光，被探測器內的光電倍增管放大，得以記錄下來(lái)。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(xué)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，就說(shuō)明中微子在從近到遠的1000多米“變身”了�！　�

　　大亞灣實(shí)驗數據每隔十幾分鐘都會(huì )由計算機壓縮后傳送到中科院計算中心和美國伯克利國家實(shí)驗室計算中心，每天的數據量是300GB左右。實(shí)驗無(wú)法避免干擾：實(shí)驗設備的異常高壓、核反應堆異常、宇宙射線(xiàn)等等。每天有360個(gè)中微子相關(guān)的閃爍，但卻有25萬(wàn)個(gè)宇宙射線(xiàn)造成的閃爍。數據必須篩選后提交�！�

　　中國制造是保障　　

　　中科院高能物理所所長(cháng)王貽芳說(shuō)，實(shí)驗設計不是建造一個(gè)大的整體探測器以提高精度，而是做成幾個(gè)小的、模塊化的探測器，這是中國人的首創(chuàng )。它不僅便于實(shí)驗中探測器的遠近點(diǎn)交換，而且也減小了探測器的體積，可使隧道截面不至于過(guò)大，便于安裝。　

　　“高能所提出了獨到的實(shí)驗方案，實(shí)驗設計指標和精度國際最高�！蓖踬O芳說(shuō)，同一實(shí)驗廳放置2—4個(gè)全同探測器進(jìn)行對比測量的方案，中方曾與美國合作者發(fā)生過(guò)激烈爭論，實(shí)驗數據后來(lái)證實(shí)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。在研制液閃的過(guò)程中，中國人與美國人都有各自的配方，并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，中國人的液閃質(zhì)量更高，能讓液閃長(cháng)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厘米，變形還要控制在1毫米之內。制造廠(chǎng)商說(shuō)，為了這個(gè)獨一無(wú)二的鋼罐，他們進(jìn)行了80多次焊接試驗，制造這樣一個(gè)20噸的鋼罐用時(shí)一年多�！　�

　　當裝配大廳的水泥地面建設完工后，來(lái)自美國的科學(xué)家，趴在地上一寸一寸用硬木敲擊，側耳傾聽(tīng)，保證地面沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)空隙，以確保設備的安裝質(zhì)量。他們發(fā)現中國人的施工質(zhì)量無(wú)可挑剔�！　�

　　優(yōu)質(zhì)工程讓大亞灣在國際科學(xué)競賽中率先撞線(xiàn)�！　�

　　第二代實(shí)驗裝置也在廣東　　

　　2016年2月，大亞灣裝置傳出新消息，科學(xué)家測得了迄今為止最精確的反應堆中微子能譜，并發(fā)現與理論預期存在兩處偏差。反應堆產(chǎn)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(mén)正在建造的下一代中微子實(shí)驗裝置可能回答這個(gè)問(wèn)題。由中、法、德、意、俄、美等國的200多位科學(xué)家組成的江門(mén)地下中微子實(shí)驗（JUNO）國際合作組已經(jīng)成立，王貽芳任合作組發(fā)言人�！　�

　　JUNO實(shí)驗裝置設在開(kāi)平市打石山700米的人工洞穴里。目前正在初步施工，預計2019年底建成運行。JUNO實(shí)驗的規模將比大亞灣中微子實(shí)驗大100多倍，計劃運行至少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，從而說(shuō)出中微子的本質(zhì)�！�

　　“中微子是什么粒子？我們并沒(méi)搞清楚。因為它最不好測�！敝形⒆涌茖W(xué)家、中科院高能物理所研究員曹俊說(shuō)，目前的粒子標準理論模型中，賦予大家質(zhì)量的是希格斯粒子，但中微子質(zhì)量較之低了15個(gè)量級，“很不自然”。為了解釋中微子為何如此輕，理論學(xué)者都傾向于相信一種蹺蹺板機制，認為有一種重的中微子還沒(méi)有發(fā)現，叫惰性中微子，它也可能是暗物質(zhì)的組成部分。JUNO以它極高的偵測精度，將幫助科學(xué)家理解中微子的本質(zhì)�！　�

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