大亞灣中微子實(shí)驗裝置 中國科學(xué)院高能物理研究所供圖

江門(mén)中微子實(shí)驗站建設場(chǎng)地全貌 中國科學(xué)院高能物理研究所供圖

　　兩個(gè)實(shí)驗雖然都是研究中微子，但具體科學(xué)目標完全不同。大亞灣中微子實(shí)驗的科學(xué)目標是利用核反應堆產(chǎn)生的中微子來(lái)測定中微子第三種振蕩模式，而江門(mén)中微子實(shí)驗是要實(shí)現對中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數的精確測量。

　　——王貽芳??中國科學(xué)院高能物理研究所所長(cháng)、中國科學(xué)院院士

◎本報記者?陸成寬

　　運行了3275天11小時(shí)43分0秒后，2020年12月12日，深圳大亞灣核反應堆群1600米外、藏在百米高花崗巖山體腹中的大亞灣中微子實(shí)驗裝置，被按下了停止鍵。中國科學(xué)院高能物理研究所所長(cháng)、中國科學(xué)院院士王貽芳宣布：“實(shí)驗圓滿(mǎn)完成科學(xué)任務(wù)，正式退役！”

　　大亞灣中微子實(shí)驗的句號，并不是我國中微子研究的終點(diǎn)。250公里外，新的“接棒者”——同在廣東的江門(mén)中微子實(shí)驗，正在如火如荼的建設中。江門(mén)中微子實(shí)驗裝置建成后，必將勇攀世界中微子研究高峰，續寫(xiě)我國中微子研究的輝煌。

　　尋找第三種振蕩模式，7國提出8個(gè)實(shí)驗方案

　　中微子是一種不帶電、質(zhì)量極其微小的基本粒子，有人形象地將其比作基本粒子中的“隱士”。與夸克、帶電輕子等基本粒子相比，中微子性質(zhì)獨特，它們幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，不容易被捕捉到。因此，中微子是人類(lèi)迄今了解最少的一種基本粒子，存在著(zhù)諸多未解的謎題。

　　“對中微子未知問(wèn)題的研究，不僅將完善我們對物質(zhì)世界最基本規律的認識，而且很有可能導致對現有粒子物理論體系——標準模型的突破，從而踏入新物理世界的大門(mén)?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所副所長(cháng)曹俊告訴科技日報記者。

　　21世紀初，中微子成為高能物理學(xué)的寵兒。中微子研究蓬勃發(fā)展，不僅成為粒子物理最重要的分支之一，而且還擴展到天文學(xué)、宇宙學(xué)、地球物理等多個(gè)學(xué)科，形成了“中微子科學(xué)”。同時(shí)，中微子的實(shí)驗研究也取得了許多重大發(fā)現,?包括發(fā)現三種中微子、發(fā)現來(lái)自天體的中微子、發(fā)現中微子振蕩等。

　　中微子有一個(gè)特殊的性質(zhì)，那就是它們經(jīng)?！白兩怼?，從一種類(lèi)型轉變成另一種類(lèi)型，即中微子振蕩。

　　原則上，三種中微子之間相互“變身”，兩兩組合，應該有三種模式。其中兩種模式分別在上世紀60年代、80年代即有跡象，當時(shí)稱(chēng)作“太陽(yáng)中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年日本的超級神岡實(shí)驗正式發(fā)現了大氣中微子振蕩，隨后太陽(yáng)中微子振蕩也被多個(gè)實(shí)驗證實(shí)。

　　“然而，第三種中微子‘變身’模式一直未被發(fā)現，甚至有理論預言其根本不存在?！辈芸≌f(shuō)。

　　由于科學(xué)意義重大，2003年起，俄羅斯、法國、美國、日本、韓國等7國相繼提出8個(gè)相似的中微子實(shí)驗方案。中國科學(xué)院高能物理研究所的科研人員也在這一年提出設想，利用我國大亞灣核反應堆群產(chǎn)生的大量中微子，來(lái)尋找中微子的第三種振蕩模式。

　　穩妥推進(jìn)裝置建設，創(chuàng )造安全爆破世界紀錄

　　那時(shí)，王貽芳和曹俊都覺(jué)得，中微子實(shí)驗研究蘊含著(zhù)獲得重大物理發(fā)現的機遇。

　　“全世界的粒子物理學(xué)者都在尋找第三種振蕩模式，中國絕不能錯失這次機會(huì )，應該積極參與其中，提出自己的實(shí)驗方案，或許這個(gè)重大突破就是我們的?！辈芸∥⑿χ?zhù)說(shuō)。

　　為了實(shí)現中微子研究夢(mèng)，王貽芳和曹俊拿出了自己獲得的人才基金，加上中國科學(xué)院高能物理研究所特批的100萬(wàn)元，開(kāi)始了中微子實(shí)驗的選址勘測工作。

　　看到大亞灣核電站旁邊的排牙山后，這群物理學(xué)家難掩心中喜悅?！昂穗娬痉磻讶嚎偣β屎芨?，可以放出海量的中微子，供實(shí)驗測量；排牙山幾百米厚的山體可以隔絕宇宙射線(xiàn)的干擾，這大概是全世界最好的實(shí)驗點(diǎn)。核電站旁邊有這樣一座小山，可以說(shuō)，這是上天眷顧中國高能物理學(xué)界?！辈芸「锌?。

　　不久后，由中國科學(xué)院高能物理研究所提出的大亞灣中微子實(shí)驗方案，就因具有地理優(yōu)勢、設計獨特，取得了國際上的關(guān)注。美國能源部還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)家加入大亞灣中微子實(shí)驗。

　　然而，中微子實(shí)驗選址過(guò)程卻并非一帆風(fēng)順?！拔覀冋掖髞啚澈穗娬緯r(shí)，他們內部對于我們做實(shí)驗是有分歧的，協(xié)調過(guò)程并不容易?！辈芸≌f(shuō)。

　　分歧的焦點(diǎn)就是安全。

　　中微子實(shí)驗需要開(kāi)山，但爆破引起的震動(dòng)對反應堆來(lái)說(shuō)是個(gè)極大的考驗。一旦出現超過(guò)標準的震動(dòng)，所有反應堆都會(huì )自動(dòng)停機，對整個(gè)電網(wǎng)的沖擊很大。為確保萬(wàn)無(wú)一失，項目批準時(shí)定下的震動(dòng)標準是國標的1/10，到了現場(chǎng)又“打了7折”。

　　施工方曾把大亞灣中微子實(shí)驗裝置的建設過(guò)程，比喻成“繡花”。以施工方的實(shí)力，一個(gè)月掘進(jìn)150到200米不成問(wèn)題，但在核電站旁邊施工，剛開(kāi)始時(shí)，7到8天才能推進(jìn)1米。

　　在這樣的“精雕細刻”下，該工程2259次爆破無(wú)一超標，創(chuàng )造了核島近距離安全爆破的世界紀錄。

　　果斷修改實(shí)驗計劃，爭分奪秒搶發(fā)成果

　　經(jīng)過(guò)4年醞釀?wù)撟C、3年施工和1年安裝實(shí)驗設施，2011年12月24日，大亞灣中微子實(shí)驗終于開(kāi)始運行。此時(shí)，韓國的中微子實(shí)驗——RENO實(shí)驗已經(jīng)進(jìn)行了4個(gè)月。

　　為了搶在競爭對手前獲得可靠的物理結果，我國項目組果斷調整實(shí)驗計劃，將實(shí)驗分為兩個(gè)階段，改變原先使用8個(gè)探測器的方案，以6個(gè)探測器提前積累數據。

　　功夫不負有心人。2012年3月8日，王貽芳宣布：大亞灣中微子實(shí)驗取得了重大突破——成功發(fā)現中微子的第三種振蕩模式,并測量到其振蕩幾率。

　　消息發(fā)出后，世界著(zhù)名物理學(xué)家李政道當即發(fā)來(lái)賀信，稱(chēng)這一結果是“物理學(xué)上具有重要基礎意義的重大成就”。世界各大粒子物理實(shí)驗室也紛紛盛贊大亞灣實(shí)驗取得的成果。該成果入選《科學(xué)》雜志評選的“2012年度十大科學(xué)突破”，并被國外同行譽(yù)為“中國有史以來(lái)最重要的物理學(xué)成果”。

　　“這一成果確實(shí)是我們‘搶’出來(lái)的，如果不是各方面夜以繼日地工作，我們不可能率先發(fā)布?！辈芸≌f(shuō)。

　　回憶起當時(shí)的情景，曹俊至今記憶猶新。在2012年的頭兩個(gè)月里，科學(xué)家開(kāi)始了緊鑼密鼓的數據獲取、分析工作?！霸趯?shí)驗還沒(méi)有正式運行前，1號實(shí)驗廳就已經(jīng)產(chǎn)生了很多數據，我們用這些數據‘看懂’了探測器，建立好了數據分析方法。更早以前，從2010年開(kāi)始，我們就用模擬軟件產(chǎn)生假數據，進(jìn)行反復練習，為日后正式的物理分析做準備?！辈芸≌f(shuō)。

　　為了趕時(shí)間，很多工作都是同時(shí)進(jìn)行的，包括設備安裝和調試、模擬分析等。

　　那時(shí)，為了盡快把成果發(fā)布出來(lái)，曹俊還制訂了一個(gè)計劃?！盀槭构ぷ髂鼙桓咝七M(jìn)，我們預先把所有節點(diǎn)時(shí)間都計算好，比如何時(shí)把文章投給雜志、何時(shí)給雜志回信、何時(shí)文章會(huì )被交至電子預印本文庫等，從而使全世界的同行都能看到我們具體的實(shí)驗細節。算好這些以后，我們才準備開(kāi)成果發(fā)布會(huì )?！辈芸≌f(shuō)，正是有了這個(gè)基礎，大亞灣中微子實(shí)驗的成果發(fā)布才比韓國RENO實(shí)驗快了25天。

　　“接棒者”明年建成，瞄準中微子質(zhì)量順序測量

　　2020年12月12日，大亞灣中微子實(shí)驗裝置正式退役。

　　談到大亞灣中微子實(shí)驗的退役，王貽芳解釋說(shuō)，大亞灣中微子實(shí)驗已經(jīng)運行了9年，當時(shí)的科學(xué)目標已經(jīng)實(shí)現，中微子振蕩振幅的測量精度已經(jīng)不可能再有顯著(zhù)提高，設備繼續運行的科學(xué)價(jià)值變小，只是浪費金錢(qián)和時(shí)間。

　　大亞灣實(shí)驗停止運行，并不意味著(zhù)我國中微子研究隨之停止，一個(gè)更為先進(jìn)、規模更大的江門(mén)中微子實(shí)驗正在建設當中。

　　研究人員正在建造一個(gè)全世界最大的液體閃爍體探測器來(lái)繼續捕捉中微子。這個(gè)探測器的主體是一個(gè)有12層樓高的有機玻璃球，里面裝有2萬(wàn)噸液體閃爍體。這是迄今為止中國最復雜的高能物理實(shí)驗裝置，預計將在2022年建成。

　　“江門(mén)中微子實(shí)驗裝置的地下隧道建設工程已經(jīng)基本完成，設備安裝準備工作基本就緒，關(guān)鍵部件將于今年下半年開(kāi)始安裝，明年才能全部裝完?！蓖踬O芳透露。

　　那么，大亞灣中微子實(shí)驗和江門(mén)中微子實(shí)驗有什么不同？王貽芳解釋道，兩個(gè)實(shí)驗雖然都是研究中微子，但具體科學(xué)目標完全不同。大亞灣中微子實(shí)驗的科學(xué)目標是利用核反應堆產(chǎn)生的中微子來(lái)測定中微子第三種振蕩模式，而江門(mén)中微子實(shí)驗是要實(shí)現對中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數的精確測量。

　　“中微子的質(zhì)量是自然界的基本參數，影響宇宙的演化進(jìn)程。知道了質(zhì)量順序，可以為確定中微子質(zhì)量和其他研究鋪路?！蓖踬O芳說(shuō)。

　　此外，發(fā)現超新星遺跡中微子也是江門(mén)中微子實(shí)驗的一個(gè)重要目標。理論模型預言，宇宙中彌漫著(zhù)大量的由于超新星爆發(fā)而產(chǎn)生的中微子?！敖?jīng)過(guò)估算，我們覺(jué)得江門(mén)中微子實(shí)驗有可能率先發(fā)現超新星遺跡中微子。同時(shí)，我們也希望在江門(mén)中微子實(shí)驗的科學(xué)生命周期之內，等到一次超新星爆發(fā)，這樣我們就能捕捉到上千個(gè)超新星中微子?！蓖踬O芳說(shuō)。


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