大亞灣實驗：補(bǔ)上物理世界第25塊積木

2017年伊始，大亞灣中微子實驗團(tuán)隊被授予國家自然科學(xué)獎一等獎。大亞灣中微子裝置在2012年3月8日宣布成功發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式，被《科學(xué)》雜志和權(quán)威媒體稱為“中國有史以來最重要的物理學(xué)成果”。

深圳大亞灣核反應(yīng)堆群的360米外，百米高的花崗巖山體腹中，藏著中國迄今最成功的粒子物理實驗裝置。中國科學(xué)家借此精確測到中微子的第三種變身方式。

“描述世界一共有28個基本參數(shù)”，中科院高能物理所所長王貽芳告訴科技日報記者，大亞灣測得的中微子θ13是第25個參數(shù)，還有三個參數(shù)迄今未知。

中微子來自核反應(yīng)堆和恒星，號稱“隱士”，幾乎不與任何粒子反應(yīng),只有包含海量粒子的探測器，才能僥幸攔下來幾個。中微子分電子中微子、μ中微子和τ中微子，它們可以互相轉(zhuǎn)化——振蕩。3種振蕩的量化描述是θ12、θ23和θ13。前兩種之前已找到，都拿了諾貝爾獎。大亞灣實驗是測量第三種振蕩——電子中微子行軍路上變成τ中微子。θ13數(shù)值的大小，關(guān)系到以后中微子裝置怎么設(shè)計。

這是一場國際競爭，8家實驗室齊頭并進(jìn)。中科院高能物理所的大亞灣實驗方案最為誘人，多國科學(xué)家加入。大亞灣本來預(yù)計兩年得到高精度結(jié)果，但為了在競爭中領(lǐng)跑而調(diào)整方案。取數(shù)后3個月，2012年3月，他們宣告勝利：θ13是8.8度，正負(fù)誤差0.8度。

從陽光海岸鉆入山洞，來到地下實驗室。探測器呈直徑5米、高5米的圓柱形，有著不銹鋼的外殼，內(nèi)裝透明的“液閃”（液體閃爍體）。好幾個探測器沉入水池，盡可能屏蔽干擾射線。

水和“液閃”的主成分烷基苯的質(zhì)子密度都很高。大亞灣核反應(yīng)堆每天產(chǎn)生10的26次方個反中微子，穿過水和烷基苯時，每天1000個中微子迎面撞上質(zhì)子，拋出光子和中子；中子跟液閃反應(yīng)放出光子。微弱的光被探測器內(nèi)的光電倍增管放大并記錄。從光強(qiáng)度算出中微子能量。

距離反應(yīng)堆較近和較遠(yuǎn)的探測器探測到的中微子能量不同，說明中微子在1000多米的路上“變身”了。

盡管厚厚的山體屏蔽，干擾仍然不斷：實驗設(shè)備的異常高壓、核反應(yīng)堆異常、宇宙射線……每天有360個中微子閃爍，但卻有25萬個宇宙射線閃爍。層層套娃一樣的容器是為了辨別有效和無效閃光。篩選后，每天300GB的壓縮數(shù)據(jù)送往中科院和美國伯克利國家實驗室。

       幾個小的、模塊化的探測器是中國人的首創(chuàng)。小探測器使隧道面無需太闊。中國人的另一成功之處，是調(diào)配出了長時間保持清澈的液閃，這可比調(diào)一杯雞尾酒難多了。為了加速中微子反應(yīng)的閃光，液閃中得摻入稀土元素釓，中國與美國有各自的配方。測試表明，中國的液閃世界第一。

探測器鋼罐壁厚1厘米，變形要控制在1毫米內(nèi)。制造廠經(jīng)過80多次焊接試驗，用時一年多才造出來。

2016年2月，大亞灣裝置還測得了迄今為止最精確的反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差。這開啟了新的課題。

“中微子是什么粒子，我們并沒搞清楚。”中科院高能物理所研究員曹俊說，標(biāo)準(zhǔn)理論模型賦予質(zhì)量的是希格斯粒子，但中微子質(zhì)量較之低了15個量級，“很不自然”。為了解釋中微子為何如此輕，學(xué)者傾向于“蹺蹺板機(jī)制”：或許有種重的中微子，叫惰性中微子，它可能是暗物質(zhì)的組成部分。破解中微子之謎的征途上，大亞灣實驗搭起了一座必經(jīng)之橋。

(責(zé)編：陰重宇(實習(xí)生)、熊旭)