中微子作为构成物质世界最基本的粒子,在最微观的粒子物理规律和最宏观的宇宙的起源及演化中都起着十分重大的作用。中微子物理研究领域的几次重大突破都获得了诺贝尔物理学奖。近年来的重大成果有:发现了中微子有质量,不同的中微子之间有振荡,即由一种中微子转换为另一种中微子,称为中微子混合。这些成果被授予了2002年诺贝尔物理学奖,中微子物理已经成为国际高能物理、天体物理与宇宙学研究的共同热点。
中微子振荡实验是研究中微子性质的主要途径,中微子振荡的规律可以用六个参数来表示,部分参数已经由太阳中微子、大气中微子、反应堆和加速器实验测得数值。而测量难度更大、物理意义更重要的CP破坏相角d与混合角θ13成为下一代中微子实验的主要目标,其中θ13又直接影响d的测量,因此精确测量θ13成为中微子实验的首要任务。
比较目前国际上的太阳中微子、大气中微子、反应堆和加速器这几类中微子实验,其中反应堆中微子实验最有可能获得突破性成果。由于核电站反应堆是很好的中微子源,它与实验用的探测器距离可以较近,其通量比太阳和大气中微子高好几个数量级,且背景干净,所得数据唯一、确定。反应堆中微子实验还具有耗资较少、技术成熟、建设周期短的特点,它的实验结果为长基线中微子振荡实验进一步实现对中微子的物质效应、CP破坏效应、中微子质量层次的测量有着重要的意义,而中微子CP破坏的测量与目前最有可能解释宇宙中物质—反物质不对称性的理论直接联系。
自上世纪八十年代起,国际上的已完成和正在进行的反应堆的中微子实验,探测器与反应堆的距离由二十多米发展至二百公里,探测器重量由几十公斤发展至几千吨。但由于精度的限制,只能测量较大的混合角θ12和θ23。在激烈的国际竞争中,实验地点的选择是体现这类实验竞争力的关键。与国际上有关实验装置相比,我国大亚湾核电站所处优越的环境,包括反应堆的距离、功率、周围的山势,加上我们在探测器设计上的独到之处,使我们有可能以最小的系统误差,得到国际上领先的θ13精确测量结果,这也是中国科学界对基础科学研究作出巨大贡献的难得机遇。
大亚湾核电站具有两个得天独厚的有利条件:
一是反应堆功率高,因而中微子事例率高。到2010年岭澳二期工程竣工之后,大亚湾反应堆总热功率将达到17.4GW,是仅次于日本Kashiwazaki的近距离反应堆群。
二是反应堆周围有山,可以较容易地建立地下实验室,探测器将有较厚的岩石覆盖层以减小本底的影响。
大亚湾反应堆中微子实验将在山腹内建设三个实验厅,分别设置近端和远端实验站(左图)。两个近点探测器分别对大亚湾和岭澳的反应堆进行测量,一个远端探测器距反应堆约2公里。实验厅之间开挖隧道相连接。利用中微子近端和远端距离的变化进行中微子振荡的相对测量,抵消实验的系统误差,大大提高实验的精度。探测器设计拟采用三层结构、多模块、二重反符合系统以降低本底及系统误差。探测器将设计成可移动式的,能进一步减小探测器间的差别带来的误差,提高测量精度,预期对θ13的测量的灵敏度可达到1%。
(高能所科研处制作 内容摘自粒子天体物理研究中心提供的材料) |