大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖

江門中微子實(shí)驗(yàn)站建設(shè)場(chǎng)地全貌 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖

　　兩個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然都是研究中微子，但具體科學(xué)目標(biāo)完全不同。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來測(cè)定中微子第三種振蕩模式，而江門中微子實(shí)驗(yàn)是要實(shí)現(xiàn)對(duì)中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測(cè)量。

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

◎本報(bào)記者?陸成寬

　　運(yùn)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(yīng)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(yàn)裝置，被按下了停止鍵。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳宣布：“實(shí)驗(yàn)圓滿完成科學(xué)任務(wù)，正式退役！”

　　大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的句號(hào)，并不是我國(guó)中微子研究的終點(diǎn)。250公里外，新的“接棒者”——同在廣東的江門中微子實(shí)驗(yàn)，正在如火如荼的建設(shè)中。江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置建成后，必將勇攀世界中微子研究高峰，續(xù)寫我國(guó)中微子研究的輝煌。

　　尋找第三種振蕩模式，7國(guó)提出8個(gè)實(shí)驗(yàn)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(dú)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，中微子是人類迄今了解最少的一種基本粒子，存在著諸多未解的謎題。

　　“對(duì)中微子未知問題的研究，不僅將完善我們對(duì)物質(zhì)世界最基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)，而且很有可能導(dǎo)致對(duì)現(xiàn)有粒子物理論體系——標(biāo)準(zhǔn)模型的突破，從而踏入新物理世界的大門?！敝袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所副所長(zhǎng)曹俊告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

　　21世紀(jì)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(kuò)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(yàn)研究也取得了許多重大發(fā)現(xiàn),?包括發(fā)現(xiàn)三種中微子、發(fā)現(xiàn)來自天體的中微子、發(fā)現(xiàn)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)常“變身”，從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，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(yīng)該有三種模式。其中兩種模式分別在上世紀(jì)60年代、80年代即有跡象，當(dāng)時(shí)稱作“太陽(yáng)中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)正式發(fā)現(xiàn)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(yàn)證實(shí)。

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

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

　　穩(wěn)妥推進(jìn)裝置建設(shè)，創(chuàng)造安全爆破世界紀(jì)錄

　　那時(shí)，王貽芳和曹俊都覺得，中微子實(shí)驗(yàn)研究蘊(yùn)含著獲得重大物理發(fā)現(xiàn)的機(jī)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(guó)絕不能錯(cuò)失這次機(jī)會(huì)，應(yīng)該積極參與其中，提出自己的實(shí)驗(yàn)方案，或許這個(gè)重大突破就是我們的?！辈芸∥⑿χf。

　　為了實(shí)現(xiàn)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(guó)科學(xué)院高能物理研究所特批的100萬元，開始了中微子實(shí)驗(yàn)的選址勘測(cè)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。“核電站反應(yīng)堆群總功率很高，可以放出海量的中微子，供實(shí)驗(yàn)測(cè)量；排牙山幾百米厚的山體可以隔絕宇宙射線的干擾，這大概是全世界最好的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。核電站旁邊有這樣一座小山，可以說，這是上天眷顧中國(guó)高能物理學(xué)界?！辈芸「锌?。

　　不久后，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所提出的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)方案，就因具有地理優(yōu)勢(shì)、設(shè)計(jì)獨(dú)特，取得了國(guó)際上的關(guān)注。美國(guó)能源部還放棄了支持本國(guó)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，轉(zhuǎn)而支持美國(guó)科學(xué)家加入大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)。

　　然而，中微子實(shí)驗(yàn)選址過程卻并非一帆風(fēng)順?！拔覀冋掖髞啚澈穗娬緯r(shí)，他們內(nèi)部對(duì)于我們做實(shí)驗(yàn)是有分歧的，協(xié)調(diào)過程并不容易。”曹俊說。

　　分歧的焦點(diǎn)就是安全。

　　中微子實(shí)驗(yàn)需要開山，但爆破引起的震動(dòng)對(duì)反應(yīng)堆來說是個(gè)極大的考驗(yàn)。一旦出現(xiàn)超過標(biāo)準(zhǔn)的震動(dòng)，所有反應(yīng)堆都會(huì)自動(dòng)停機(jī)，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的沖擊很大。為確保萬無一失，項(xiàng)目批準(zhǔn)時(shí)定下的震動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)標(biāo)的1/10，到了現(xiàn)場(chǎng)又“打了7折”。

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

　　在這樣的“精雕細(xì)刻”下，該工程2259次爆破無一超標(biāo)，創(chuàng)造了核島近距離安全爆破的世界紀(jì)錄。

　　果斷修改實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，爭(zhēng)分奪秒搶發(fā)成果

　　經(jīng)過4年醞釀?wù)撟C、3年施工和1年安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)施，2011年12月24日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)終于開始運(yùn)行。此時(shí)，韓國(guó)的中微子實(shí)驗(yàn)——RENO實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了4個(gè)月。

　　為了搶在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手前獲得可靠的物理結(jié)果，我國(guó)項(xiàng)目組果斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，將實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，改變?cè)仁褂?個(gè)探測(cè)器的方案，以6個(gè)探測(cè)器提前積累數(shù)據(jù)。

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

　　消息發(fā)出后，世界著名物理學(xué)家李政道當(dāng)即發(fā)來賀信，稱這一結(jié)果是“物理學(xué)上具有重要基礎(chǔ)意義的重大成就”。世界各大粒子物理實(shí)驗(yàn)室也紛紛盛贊大亞灣實(shí)驗(yàn)取得的成果。該成果入選《科學(xué)》雜志評(píng)選的“2012年度十大科學(xué)突破”，并被國(guó)外同行譽(yù)為“中國(guó)有史以來最重要的物理學(xué)成果”。

　　“這一成果確實(shí)是我們‘搶’出來的，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。

　　回憶起當(dāng)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)家開始了緊鑼密鼓的數(shù)據(jù)獲取、分析工作。“在實(shí)驗(yàn)還沒有正式運(yùn)行前，1號(hào)實(shí)驗(yàn)廳就已經(jīng)產(chǎn)生了很多數(shù)據(jù)，我們用這些數(shù)據(jù)‘看懂’了探測(cè)器，建立好了數(shù)據(jù)分析方法。更早以前，從2010年開始，我們就用模擬軟件產(chǎn)生假數(shù)據(jù)，進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，為日后正式的物理分析做準(zhǔn)備。”曹俊說。

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

　　那時(shí)，為了盡快把成果發(fā)布出來，曹俊還制訂了一個(gè)計(jì)劃。“為使工作能被高效推進(jìn)，我們預(yù)先把所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間都計(jì)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(yù)印本文庫(kù)等，從而使全世界的同行都能看到我們具體的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。算好這些以后，我們才準(zhǔn)備開成果發(fā)布會(huì)。”曹俊說，正是有了這個(gè)基礎(chǔ)，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的成果發(fā)布才比韓國(guó)RENO實(shí)驗(yàn)快了25天。

　　“接棒者”明年建成，瞄準(zhǔn)中微子質(zhì)量順序測(cè)量

　　2020年12月12日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)裝置正式退役。

　　談到大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的退役，王貽芳解釋說，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)已經(jīng)運(yùn)行了9年，當(dāng)時(shí)的科學(xué)目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，中微子振蕩振幅的測(cè)量精度已經(jīng)不可能再有顯著提高，設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行的科學(xué)價(jià)值變小，只是浪費(fèi)金錢和時(shí)間。

　　大亞灣實(shí)驗(yàn)停止運(yùn)行，并不意味著我國(guó)中微子研究隨之停止，一個(gè)更為先進(jìn)、規(guī)模更大的江門中微子實(shí)驗(yàn)正在建設(shè)當(dāng)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(cè)器來繼續(xù)捕捉中微子。這個(gè)探測(cè)器的主體是一個(gè)有12層樓高的有機(jī)玻璃球，里面裝有2萬噸液體閃爍體。這是迄今為止中國(guó)最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置，預(yù)計(jì)將在2022年建成。

　　“江門中微子實(shí)驗(yàn)裝置的地下隧道建設(shè)工程已經(jīng)基本完成，設(shè)備安裝準(zhǔn)備工作基本就緒，關(guān)鍵部件將于今年下半年開始安裝，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(yàn)和江門中微子實(shí)驗(yàn)有什么不同？王貽芳解釋道，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然都是研究中微子，但具體科學(xué)目標(biāo)完全不同。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來測(cè)定中微子第三種振蕩模式，而江門中微子實(shí)驗(yàn)是要實(shí)現(xiàn)對(duì)中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測(cè)量。

　　“中微子的質(zhì)量是自然界的基本參數(shù)，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。

　　此外，發(fā)現(xiàn)超新星遺跡中微子也是江門中微子實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要目標(biāo)。理論模型預(yù)言，宇宙中彌漫著大量的由于超新星爆發(fā)而產(chǎn)生的中微子?！敖?jīng)過估算，我們覺得江門中微子實(shí)驗(yàn)有可能率先發(fā)現(xiàn)超新星遺跡中微子。同時(shí)，我們也希望在江門中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)生命周期之內(nèi)，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。”王貽芳說。


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