大亞灣裝置：攔下中微子 看看究竟

　　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(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——大亞灣中微子裝置。它在2012年3月8日宣布成功發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式，引起世界矚目；《科學》雜志網(wǎng)站說，大亞灣實驗裝置“可以說是中國有史以來最重要的物理學成果”。

　　大亞灣發(fā)現(xiàn)中微子第三種變化

　　中微子來自核反應(yīng)堆、太陽、超新星、地球內(nèi)核等處，攜帶著暗物質(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(yīng)。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(shù)值的大小決定了未來中微子物理研究的設(shè)計方向。

　　由于科學意義重大，國際上曾先后提出了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(yōu)勢，設(shè)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實驗方案，轉(zhuǎn)而支持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(yù)計，實現(xiàn)測量θ13到1％精度的實驗?zāi)繕?，大約需要兩年。但開始取數(shù)后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(shè)計

　　從陽光燦爛的海濱，到鉆入黑暗的山洞。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，分布著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(nèi)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(zhì)子密度都很高。附近的核反應(yīng)堆，每天產(chǎn)生10的26次方個反中微子，它們穿過水和烷基苯時，極少數(shù)（每天1000個）會迎面撞上質(zhì)子，產(chǎn)生光子和中子；中子再跟液閃反應(yīng)，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(nèi)的光電倍增管放大，得以記錄下來。中微子能量越高，反應(yīng)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(yīng)堆較近處和較遠處的探測到的中微子能量差別明顯，就說明中微子在從近到遠的1000多米“變身”了。

　　大亞灣實驗數(shù)據(jù)每隔十幾分鐘都會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驗室計算中心，每天的數(shù)據(jù)量是300GB左右。實驗無法避免干擾：實驗設(shè)備的異常高壓、核反應(yīng)堆異常、宇宙射線等等。每天有360個中微子相關(guān)的閃爍，但卻有25萬個宇宙射線造成的閃爍。數(shù)據(jù)必須篩選后提交。

　　中國制造是保障

　　中科院高能物理所所長王貽芳說，實驗設(shè)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、模塊化的探測器，這是中國人的首創(chuàng)。它不僅便于實驗中探測器的遠近點交換，而且也減小了探測器的體積，可使隧道截面不至于過大，便于安裝。

　　“高能所提出了獨到的實驗方案，實驗設(shè)計指標和精度國際最高。”王貽芳說，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(fā)生過激烈爭論，實驗數(shù)據(jù)后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。在研制液閃的過程中，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(zhí)中，雙方只得找第三方測試。測試結(jié)果是，中國人的液閃質(zhì)量更高，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厘米，變形還要控制在1毫米之內(nèi)。制造廠商說，為了這個獨一無二的鋼罐，他們進行了80多次焊接試驗，制造這樣一個20噸的鋼罐用時一年多。

　　當裝配大廳的水泥地面建設(shè)完工后，來自美國的科學家，趴在地上一寸一寸用硬木敲擊，側(cè)耳傾聽，保證地面沒有一點點空隙，以確保設(shè)備的安裝質(zhì)量。他們發(fā)現(xiàn)中國人的施工質(zhì)量無可挑剔。

　　優(yōu)質(zhì)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(yīng)堆中微子能譜，并發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差。反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子比某些模型的預(yù)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(jīng)成立，王貽芳任合作組發(fā)言人。

　　JUNO實驗裝置設(shè)在開平市打石山700米的人工洞穴里。目前正在初步施工，預(yù)計2019年底建成運行。JUNO實驗的規(guī)模將比大亞灣中微子實驗大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，從而說出中微子的本質(zhì)。

　　“中微子是什么粒子？我們并沒搞清楚。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說，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，理論學者都傾向于相信一種蹺蹺板機制，認為有一種重的中微子還沒有發(fā)現(xiàn)，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，將幫助科學家理解中微子的本質(zhì)。

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