大亚湾装置:拦下中微子,看看究竟

高 博

2016年07月11日08:11  来源:科技日报
 
原标题:大亚湾装置:拦下中微子,看看究竟

  中微子——基本粒子中最诡秘的一位,落入了中国人的陷阱,并招供出它的变身秘密。深圳大亚湾核反应堆群的360米外,百米高的花岗岩山体腹中,藏着中国迄今最成功的粒子物理实验装置——大亚湾中微子装置。它在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式,引起世界瞩目;《科学》杂志网站说,大亚湾实验装置“可以说是中国有史以来最重要的物理学成果”。

  大亚湾发现中微子第三种变化

  中微子来自核反应堆、太阳、超新星、地球内核等处,携带着暗物质和天体的秘密。它们是基本粒子中的“隐士”,质量小,不带电,几乎不与任何粒子反应。只有大亚湾装置这样包含海量粒子的探测器,才能侥幸拦下来几个中微子。

  中微子分三种:电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——一种类型变成另一种。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种已在大气中微子和太阳中微子实验中找到。

  大亚湾实验是对第三种振荡模式的测量。这种振荡中,主要由电子中微子组成的“大队人马”,在行军路上变成了主要由τ中微子组成的团队。θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。

  由于科学意义重大,国际上曾先后提出了8个相似的中微子实验方案。中科院高能物理所提出的大亚湾实验方案因具有地理优势,设计独特,取得了国际上的关注。美国能源部就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实验的合作。

  大亚湾的科学家本来预计,实现测量θ13到1%精度的实验目标,大约需要两年。但开始取数后3个月,2012年3月,他们就宣告胜利。大亚湾实验装置的成功是把θ13算得很准——8.8度,误差为正负0.8度。

  精巧的实验设计

  从阳光灿烂的海滨,到钻入黑暗的山洞。全长3000多米大亚湾排牙山隧道,3个相连的像电影厅一样大小的地下实验室中,分布着8个中微子探测器。每个探测器是直径5米、高5米的圆柱,有着不锈钢的外壳,内装透明的“液闪”(液体闪烁体)。它们被放在水池中。

  无论是水,还是“液闪”的主要成分烷基苯,质子密度都很高。附近的核反应堆,每天产生10的26次方个反中微子,它们穿过水和烷基苯时,极少数(每天1000个)会迎面撞上质子,产生光子和中子;中子再跟液闪反应,放出光子。液闪中的钆会加速这个过程。微弱的光,被探测器内的光电倍增管放大,得以记录下来。中微子能量越高,反应射出的光就越强,但不是成比例的,需要科学家从光的强度算出中微子的能量。

  如果距离反应堆较近处和较远处的探测到的中微子能量差别明显,就说明中微子在从近到远的1000多米“变身”了。

  大亚湾实验数据每隔十几分钟都会由计算机压缩后传送到中科院计算中心和美国伯克利国家实验室计算中心,每天的数据量是300GB左右。实验无法避免干扰:实验设备的异常高压、核反应堆异常、宇宙射线等等。每天有360个中微子相关的闪烁,但却有25万个宇宙射线造成的闪烁。数据必须筛选后提交。

  中国制造是保障

  中科院高能物理所所长王贻芳说,实验设计不是建造一个大的整体探测器以提高精度,而是做成几个小的、模块化的探测器,这是中国人的首创。它不仅便于实验中探测器的远近点交换,而且也减小了探测器的体积,可使隧道截面不至于过大,便于安装。

  “高能所提出了独到的实验方案,实验设计指标和精度国际最高。”王贻芳说,同一实验厅放置2—4个全同探测器进行对比测量的方案,中方曾与美国合作者发生过激烈争论,实验数据后来证实了中国方案的有效。

  在液闪中掺杂稀土元素钆这一国际难题,也是中国人解决的。在研制液闪的过程中,中国人与美国人都有各自的配方,并且都认为自己的最好。争执中,双方只得找第三方测试。测试结果是,中国人的液闪质量更高,能让液闪长期保持澄清。

  工程建造的中心探测器的钢罐,直径5米、高5米,其壁厚仅1厘米,变形还要控制在1毫米之内。制造厂商说,为了这个独一无二的钢罐,他们进行了80多次焊接试验,制造这样一个20吨的钢罐用时一年多。

  当装配大厅的水泥地面建设完工后,来自美国的科学家,趴在地上一寸一寸用硬木敲击,侧耳倾听,保证地面没有一点点空隙,以确保设备的安装质量。他们发现中国人的施工质量无可挑剔。

  优质工程让大亚湾在国际科学竞赛中率先撞线。

  第二代实验装置也在广东

  2016年2月,大亚湾装置传出新消息,科学家测得了迄今为止最精确的反应堆中微子能谱,并发现与理论预期存在两处偏差。反应堆产生的中微子比某些模型的预期值低6%。这是理论的缺陷,还是惰性中微子振荡引起的呢?离大亚湾200公里外的广东江门正在建造的下一代中微子实验装置可能回答这个问题。由中、法、德、意、俄、美等国的200多位科学家组成的江门地下中微子实验(JUNO)国际合作组已经成立,王贻芳任合作组发言人。

  JUNO实验装置设在开平市打石山700米的人工洞穴里。目前正在初步施工,预计2019年底建成运行。JUNO实验的规模将比大亚湾中微子实验大100多倍,计划运行至少20年,10亿元级别的投资,使其成为中国最庞大的高能物理装置。

  JUNO的眼力将比大亚湾装置更敏锐。能谱好比中微子的手相,JUNO能瞄出平滑的掌纹上细小的皱褶,从而说出中微子的本质。

  “中微子是什么粒子?我们并没搞清楚。因为它最不好测。”中微子科学家、中科院高能物理所研究员曹俊说,目前的粒子标准理论模型中,赋予大家质量的是希格斯粒子,但中微子质量较之低了15个量级,“很不自然”。为了解释中微子为何如此轻,理论学者都倾向于相信一种跷跷板机制,认为有一种重的中微子还没有发现,叫惰性中微子,它也可能是暗物质的组成部分。JUNO以它极高的侦测精度,将帮助科学家理解中微子的本质。

  另外,曹俊说,JUNO装置也可探测超新星中微子和地球内核中微子,开启中国在这两方面的研究。

(责编:马丽、赵竹青)

推荐阅读

世界最大射电望远镜落成 可能带来系外脉冲星惊喜7月3日上午,随着最后一块反射面单元被顺利安装在索网上,我国在建的“观天巨眼”——500米口径球面射电望远镜(FAST)主体工程正式完工。“我们希望通过FAST首次发现银河系以外的脉冲星。”国家天文台副台长、FAST工程常务副总经理郑晓年说。【详细】

6月“科学流言榜”发布 吃素不得心脑血管病列榜首 六月“科学流言榜”今天发布,“吃素不得心脑血管病”位列榜首。“每月科学流言榜”由北京市科学技术协会、北京地区网站联合辟谣平台、北京科技记者编辑协会共同发布,得到中国科普作家协会科技传播专业委员会、中国晚报科学编辑记者学会、上海科技传播协会的支持。【详细】