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澳门6088:中微子实验:大亚湾功成身退,江门接棒前行

2021年05月25日 08:11   来源:科技日报   
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  两个实验虽然都是研究中微子,但具体科学目标完全不同。大亚湾中微子实验的科学目标是利用核反应堆产生的中微子来测定中微子第三种振荡模式,而江门中微子实验是要实现对中微子质量顺序和中微子振荡参数的精确测量。

  ——王贻芳  中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士

  ◎本报记者 陆成宽

  运行了3275天11小时43分0秒后,2020年12月12日,深圳大亚湾核反应堆群1600米外、藏在百米高花岗岩山体腹中的大亚湾中微子实验装置,被按下了停止键。中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳宣布:“实验圆满完成科学任务,正式退役!”

  大亚湾中微子实验的句号,并不是我国中微子研究的终点。250公里外,新的“接棒者”——同在广东的江门中微子实验,正在如火如荼的建设中。江门中微子实验装置建成后,必将勇攀世界中微子研究高峰,续写我国中微子研究的辉煌。

  寻找第三种振荡模式,7国提出8个实验方案

  中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子,有人形象地将其比作基本粒子中的“隐士”。与夸克、带电轻子等基本粒子相比,中微子性质独特,它们几乎不与任何物质发生相互作用,不容易被捕捉到。因此,中微子是人类迄今了解最少的一种基本粒子,存在着诸多未解的谜题。

  “对中微子未知问题的研究,不仅将完善我们对物质世界最基本规律的认识,而且很有可能导致对现有粒子物理论体系——标准模型的突破,从而踏入新物理世界的大门。”中国科学院高能物理研究所副所长曹俊告诉科技日报记者。

  21世纪初,中微子成为高能物理学的宠儿。中微子研究蓬勃发展,不仅成为粒子物理最重要的分支之一,而且还扩展到天文学、宇宙学、地球物理等多个学科,形成了“中微子科学”。同时,中微子的实验研究也取得了许多重大发现, 包括发现三种中微子、发现来自天体的中微子、发现中微子振荡等。

  中微子有一个特殊的性质,那就是它们经常“变身”,从一种类型转变成另一种类型,即中微子振荡。

  原则上,三种中微子之间相互“变身”,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式分别在上世纪60年代、80年代即有迹象,当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年日本的超级神冈实验正式发现了大气中微子振荡,随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。

  “然而,第三种中微子‘变身’模式一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在。”曹俊说。

  由于科学意义重大,2003年起,俄罗斯、法国、美国、日本、韩国等7国相继提出8个相似的中微子实验方案。中国科学院高能物理研究所的科研人员也在这一年提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的第三种振荡模式。

  稳妥推进装置建设,创造安全爆破世界纪录

  那时,王贻芳和曹俊都觉得,中微子实验研究蕴含着获得重大物理发现的机遇。

  “全世界的粒子物理学者都在寻找第三种振荡模式,中国绝不能错失这次机会,应该积极参与其中,提出自己的实验方案,或许这个重大突破就是我们的。”曹俊微笑着说。

  为了实现中微子研究梦,王贻芳和曹俊拿出了自己获得的人才基金,加上中国科学院高能物理研究所特批的100万元,开始了中微子实验的选址勘测工作。

  看到大亚湾核电站旁边的排牙山后,这群物理学家难掩心中喜悦。“核电站反应堆群总功率很高,可以放出海量的中微子,供实验测量;排牙山几百米厚的山体可以隔绝宇宙射线的干扰,这大概是全世界最好的实验点。核电站旁边有这样一座小山,可以说,这是上天眷顾中国高能物理学界。”曹俊感慨道。

  不久后,由中国科学院高能物理研究所提出的大亚湾中微子实验方案,就因具有地理优势、设计独特,取得了国际上的关注。美国能源部还放弃了支持本国的两个实验方案,转而支持美国科学家加入大亚湾中微子实验。

  然而,中微子实验选址过程却并非一帆风顺。“我们找大亚湾核电站时,他们内部对于我们做实验是有分歧的,协调过程并不容易。”曹俊说。

  分歧的焦点就是安全。

  中微子实验需要开山,但爆破引起的震动对反应堆来说是个极大的考验。一旦出现超过标准的震动,所有反应堆都会自动停机,对整个电网的冲击很大。为确保万无一失,项目批准时定下的震动标准是国标的1/10,到了现场又“打了7折”。

  施工方曾把大亚湾中微子实验装置的建设过程,比喻成“绣花”。以施工方的实力,一个月掘进150到200米不成问题,但在核电站旁边施工,刚开始时,7到8天才能推进1米。

  在这样的“精雕细刻”下,该工程2259次爆破无一超标,创造了核岛近距离安全爆破的世界纪录。

  果断修改实验计划,争分夺秒抢发成果

  经过4年酝酿论证、3年施工和1年安装实验设施,2011年12月24日,大亚湾中微子实验终于开始运行。此时,韩国的中微子实验——RENO实验已经进行了4个月。

  为了抢在竞争对手前获得可靠的物理结果,我国项目组果断调整实验计划,将实验分为两个阶段,改变原先使用8个探测器的方案,以6个探测器提前积累数据。

  功夫不负有心人。2012年3月8日,王贻芳宣布:大亚湾中微子实验取得了重大突破——成功发现中微子的第三种振荡模式,并测量到其振荡几率。

  消息发出后,世界著名物理学家李政道当即发来贺信,称这一结果是“物理学上具有重要基础意义的重大成就”。世界各大粒子物理实验室也纷纷盛赞大亚湾实验取得的成果。该成果入选《科学》杂志评选的“2012年度十大科学突破”,并被国外同行誉为“中国有史以来最重要的物理学成果”。

  “这一成果确实是我们‘抢’出来的,如果不是各方面夜以继日地工作,我们不可能率先发布。”曹俊说。

  回忆起当时的情景,曹俊至今记忆犹新。在2012年的头两个月里,科学家开始了紧锣密鼓的数据获取、分析工作。“在实验还没有正式运行前,1号实验厅就已经产生了很多数据,我们用这些数据‘看懂’了探测器,建立好了数据分析方法。更早以前,从2010年开始,我们就用模拟软件产生假数据,进行反复练习,为日后正式的物理分析做准备。”曹俊说。

  为了赶时间,很多工作都是同时进行的,包括设备安装和调试、模拟分析等。

  那时,为了尽快把成果发布出来,曹俊还制订了一个计划。“为使工作能被高效推进,我们预先把所有节点时间都计算好,比如何时把文章投给杂志、何时给杂志回信、何时文章会被交至电子预印本文库等,从而使全世界的同行都能看到我们具体的实验细节。算好这些以后,我们才准备开成果发布会。”曹俊说,正是有了这个基础,大亚湾中微子实验的成果发布才比韩国RENO实验快了25天。

  “接棒者”明年建成,瞄准中微子质量顺序测量

  2020年12月12日,大亚湾中微子实验装置正式退役。

  谈到大亚湾中微子实验的退役,王贻芳解释说,大亚湾中微子实验已经运行了9年,当时的科学目标已经实现,中微子振荡振幅的测量精度已经不可能再有显著提高,设备继续运行的科学价值变小,只是浪费金钱和时间。

  大亚湾实验停止运行,并不意味着我国中微子研究随之停止,一个更为先进、规模更大的江门中微子实验正在建设当中。

  研究人员正在建造一个全世界最大的液体闪烁体探测器来继续捕捉中微子。这个探测器的主体是一个有12层楼高的有机玻璃球,里面装有2万吨液体闪烁体。这是迄今为止中国最复杂的高能物理实验装置,预计将在2022年建成。

  “江门中微子实验装置的地下隧道建设工程已经基本完成,设备安装准备工作基本就绪,关键部件将于今年下半年开始安装,明年才能全部装完。”王贻芳透露。

  那么,大亚湾中微子实验和江门中微子实验有什么不同?王贻芳解释道,两个实验虽然都是研究中微子,但具体科学目标完全不同。大亚湾中微子实验的科学目标是利用核反应堆产生的中微子来测定中微子第三种振荡模式,而江门中微子实验是要实现对中微子质量顺序和中微子振荡参数的精确测量。

  “中微子的质量是自然界的基本参数,影响宇宙的演化进程。知道了质量顺序,可以为确定中微子质量和其他研究铺路。”王贻芳说。

  此外,发现超新星遗迹中微子也是江门中微子实验的一个重要目标。理论模型预言,宇宙中弥漫着大量的由于超新星爆发而产生的中微子。“经过估算,我们觉得江门中微子实验有可能率先发现超新星遗迹中微子。同时,我们也希望在江门中微子实验的科学生命周期之内,等到一次超新星爆发,这样我们就能捕捉到上千个超新星中微子。”王贻芳说。

(责任编辑:孙丹)

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