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【科技日报】别了,大亚湾中微子实验

2020-12-14 科技日报 陆成宽
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  停止按钮被按下后,大亚湾反应堆中微子实验(以下简称大亚湾中微子实验)大厅的水池外罩缓缓打开,沉浸在碧蓝色高纯水中的4个中微子探测器展现在世人面前。

  这一幕发生在12月12日深圳大亚湾中微子实验站现场。这标志着这个藏在深圳大亚湾核反应堆群1600米外、百米高花岗岩山体腹中的粒子物理实验装置正式退役。

  精度不能再提高,继续运行是浪费钱和时间

  或许有人会问,这么一个大科学工程,怎么说退役就退役了呢?

  对此,中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳给出了解释:大亚湾中微子实验运行了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提高,再继续运行没有意义,只是浪费金钱和时间。

  当前,中微子振荡振幅的测量精度已经不能依靠数据量来改善。精度的测量误差是由仪器设备本身的精度所决定的。

  那么,当初设计大亚湾中微子实验时,研究人员没有想到仪器设备未来可能需要提高精度吗?难道不能通过升级改造,提升仪器设备的精度吗?

  事实上,当初设计实验装置时,就是按照当时可能实现的最高精度来设计的。“大亚湾中微子实验从设计到现在,已经走过了17个年头。今天,如果让我们再重新设计的话,我们仍然没办法提高精度,因为已经到了极限了。”王贻芳说。

  目前,中微子振荡振幅的测量精度已经从2012年的20%提高到了3.4%,预期最终精度将好于3%。“在未来几十年,该精度不会被其他实验超越。”王贻芳自信地说。

  大亚湾中微子实验装置退役后,研究人员将按计划进行设备拆卸撤场工作,预计在半年内完成。之后,实验场地将正式移交给中微子实验所在的中广核集团,由中广核集团进行后续的开发利用,其中一个厅将作为科普基地使用。

  第三种中微子振荡模式曾被认为并不存在

  中微子是基本粒子中的“隐士”,质量小,不带电,它们从人体穿过,从地球穿过,几乎不与任何物质发生相互作用。中微子可以分为三种:电子中微子、缪中微子和陶中微子。

  在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中,中微子占了四分之一,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。

  中微子无所不在,从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间。太阳、地球、超新星、宇宙线、核反应堆甚至人体,都在不停地产生中微子。有人曾做过一个形象的比喻:在1平方厘米也就是常人拇指指甲盖大小的面积上,每秒钟约有650亿个太阳中微子以接近光速的速度呼啸而过。

  中微子有一个特殊的性质,即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,通常称为中微子振荡。

  原则上,三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式自20世纪60年代起即有迹象,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,“第三种中微子振荡模式一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在。”中国科学院高能物理研究所研究员温良剑说。

  中国最重要的物理学成果是“抢”出来的

  中国科学院高能物理研究所科研人员2003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,并精确测量该振荡的几率。

  经过4年酝酿和4年建设,2011年12月24日,大亚湾中微子实验开始运行。此时,韩国的RENO实验已经进行了4个月。

  为了赶在竞争对手前获得物理结果,项目组果断调整了实验计划,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:大亚湾中微子实验成功发现了中微子的第三种振荡模式,并测量到其振荡几率。这一成果入选《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”。

  “这实际上是我们‘抢’出来的成果,如果不是各方面夜以继日地工作,就不会有今天的结果。”温良剑说。

  同时,大亚湾中微子实验也精确测量了反应堆中微子能谱,发现其与理论模型存在两种偏差,这一成果为未来的反应堆中微子实验提供了模型无关的中微子测量谱。此外,大亚湾中微子实验给出了低质量区惰性中微子最好的限制,基本排除了之前两个美国实验给出的这个假想新粒子的存在空间。

  (原载于《科技日报》 2020-12-14 04版)

打印 责任编辑:张芳丹
  • 【中国科学报】再见!大亚湾中微子实验

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