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【中国经济网】神秘粒子如何“震荡”世界——大亚湾反应堆中微子实验获国家自然科学一等奖
2017-01-23|文章来源:佘惠敏 李芃达 |浏览次数: |【
 

   

  图:大亚湾中微子实验的整体布局 

  中国经济网北京1月9日讯(记者 佘惠敏 李芃达)1月9日上午,2016年度国家科学技术奖励大会在人民大会堂召开,大亚湾中微子实验凭借其对我国粒子物理的巨大贡献荣获国家自然科学奖一等奖。此次实验的成功填补了我国在中微子这个基础物理研究领域的空白,提升了我国物理学家的国际影响力。首次尝试中微子振荡研究就取得如此骄人的成绩,这在国际上都是十分罕见的。那么,什么是中微子振荡?这次实验又是如何成功的?且听《经济日报》记者向您娓娓道来。

  一、神秘粒子 来去无踪

  中微子常用符号ν表示,与带电轻子、夸克一同被称为构成物质世界最基本的粒子。人们叫它“闪电侠”——中微子质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动,具有极强的穿透力,可以轻松穿过地球直径那么厚的物质;人们叫它“独行侠”——中微子只参与非常微弱的弱相互作用,在亿万个中微子中只有个别会与物质发生反应,因此中微子的检测十分困难。它难以琢磨——中微子有大量谜团尚未解开,包括它的质量大小和起源、磁矩、CP破坏大小等等,却又无处不在——宇宙中充斥着大量的中微子,大约每立方厘米300个,大多数粒子物理和核物理过程中都伴随着中微子的产生,例如核裂变、核聚变、贝塔衰变等等。

  中微子在飞行过程中,从一种类型转变成另一种类型的现象叫做中微子振荡,科学家用三个混合角来描述三种中微子相互转化时的振荡幅度,分别是θ12、θ23、θ13。

  1998年的超级神冈实验和2001年SNO实验先后测出混合角θ12、θ23的大小,证实了中微子有质量,并因此荣获诺贝尔物理学奖。但第三种振荡混合角θ13却迟迟没有被发现,直到2012年大亚湾中微子实验首次公布了对θ13的精确测量结果。“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”诺贝尔物理学奖得主李政道如是评价大亚湾实验。

  大亚湾实验的科学意义在于,θ13值的确定,使科学界得以更深入了解中微子的基本特性,预示着中微子的全部奥秘有望在不远的将来被彻底解开。“基础研究的主要目的是为了认识世界,此次实验的成功标志着,我们对自然界的发现又迈出了新的一步,这是我们对人类作出的贡献。”大亚湾中微子实验首席科学家、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说。

  除此之外,大亚湾中微子实验从高精度大型探测器加工到特殊材料,从化学化工到高速读出电子学,提升了我国在相关领域的技术水平,并培养出一批具有国际水准的青年科研人员,为我国基础物理研究的发展打下了坚实基础。

   

  图:大亚湾中微子实验于2007年10月破土动工 

  二、追求完美 抢占先机

  2003年前后,来自不同国家的科学家们共提出8个可能测出θ13的实验方案,其中就包括大亚湾反应堆中微子实验方案。如何在与美国、日本、欧洲等经验丰富团队的激烈竞争中脱颖而出?王贻芳回顾十余载科研路,不禁感慨万千,向《经济日报》记者讲述其间的酸甜苦辣。

  “取胜的原因第一点就是,我们的实验设计精度比别人高,所以我们用很短的时间,就能达到别人花很长时间才能达到的高度。”王贻芳告诉记者,大亚湾实验的测量精度比过去的实验高出约一个数量级,在8个国际同类方案中精度是最高的。“我们要为世界提供一个最精确的振荡参数,要做就要做到极致。”

  “其次,我们的方案设计有优势、有创新。”据王贻芳介绍,大亚湾实验采用远近相对测量方法,在反应堆附近和距反应堆两千米左右的地方各放一个探测器。如此一来,便能够部分抵消探测效率、靶的有效体积、靶核数目和能量测量等与探测器相关的误差,提高实验灵敏度。

  此外,大亚湾实验还创造性地在一个实验厅内放置多个相同的探测器,这是国际上唯一采用这种设计方法的中微子实验。多个全同探测器的测量便于比较,使实验误差又降低了“根号n倍”。

  在实验厅位置的选择上,实验的设计者们也花费一番心思。为了解决远近点探测器放置位置、宇宙射线产生本底、山体覆盖厚度等问题,科学家们将1:5000的数字化地形测量图予以转换,得到山体轮廓,在平面图上以50米为一格,比较了远近3个实验大厅移动到不同位置时测量θ13的灵敏度,定量地计算出不同因素对测量结果的影响,从而确定大亚湾实验的总体布局。

  “如果要成功的话,所有的事情都得做对。” 大亚湾实验拥有最大的反应堆功率、最合适的远点基线、最大的探测器质量以及最深的岩石覆盖。再加上,科学家们力求卓越的设计理念、精益求精的研究态度,让实验在测量精度、灵活度以及可靠性上都达到了前所未有的高度。天时、地利、人和,所有事情都做到完美,才能让大亚湾实验在激烈的国际竞争中赢得先手、抢占先机,才能让大亚湾实验成为“中国有史以来最重要的物理学成果”。“想要超越对手,在整个过程中都不能出现一丁点的差错。每项实验到最后比的就是谁做的更完美、谁准备的更充分。”王贻芳说道。

   

  图:3号实验厅中,110吨重的中微子探测器正在吊装入10米深的水池中 

  三、技术创新 攻克难关

  液体闪烁体(下文简称液闪)是中微子实验使用的探测介质,钆是一种稀土元素,在液闪中掺钆可以放大关联信号,提高探测精度。但如何在液闪中掺钆并保持其稳定性是大亚湾实验的重中之重,也是难以突破的瓶颈。大亚湾中微子实验项目副经理曹俊告诉记者,把无机物钆掺到由有机物组成的液闪中,由于不相溶,钆便会析出,导致液闪无法进行有效的探测工作。“时间紧,任务重,我们必须马上着手研发工作。”曹俊说,“我们找过几家国内单位进行合作,但试过几次都没有走上正轨,将化学技术与核物理相结合,这种跨界研发确实比较困难。”

  一个偶然的机会,让曹俊找到了高能所的化学专家张智勇,他告诉曹俊可以将钆变成有机的钆络合物,从而提高其在有机液闪中的溶解度。于是,高能所的化学专家马上开始实验,尝试了多种配体用来生成钆的络合物。经过不断地合成、表征,最终发现,异壬酸与钆反应生成的络合物进入液闪后对液闪的透明度和光产额等没有明显影响,完全满足实验要求。

  与此同时,美国布鲁克海文国家实验室也在攻克掺钆液闪稳定性的难题,并对高能所的配方心存疑虑。“这是完全可以理解的,我们彼此相互交换样品进行测试,都觉得有一定的可行性,但最终用谁的一直相持不下。”王贻芳说。

  作为捕获中微子的核心物质,掺钆液闪一旦出现问题,整个实验都会功亏一篑。掺钆液闪如此重要,中美双方都不敢有所大意,故而在香港进行了第三方实验。由制作者分别提供样品,由位于香港大学的第三方实验室进行光学性能和稳定性的测量。最终,高能所研制的掺钆液闪不负众望,完美地通过了考核,其配方和工艺为大亚湾实验的顺利完成立下了汗马功劳。

  技术难关被攻克以后,大规模生产又给大亚湾的科学工作者们出了一道难题。为了防止金属进入液闪中影响掺钆液闪稳定性,所有与液闪接触的部分都要使用有机玻璃和氟塑料,这就给加工、生产以及运输带来很大的困难。

  实验所需的掺钆液闪分50个批次生产,整个过程中,现场人员层层把关、步步小心,通过合理的分工、密切的合作以及不辞劳苦的昼夜奋斗,终于在不到两个半月的时间内就完成了50个批次的全部生产工作,重复性非常好。时至今日,大亚湾实验已经运行数年,掺钆液闪依然很稳定,完全满足取数要求。

  四、展望未来 国际领先

  大亚湾实验在测量θ13数值中拔得头筹,使得我国中微子物理研究向前迈出了坚实的一大步,但是,中微子世界还有许多未解之谜待于探索和解答。“目前中微子研究一个很重要的方向是测量其质量顺序,这也是我们江门中微子实验的首要科学目标。”王贻芳介绍说。

  江门中微子的实验原理与大亚湾实验相同,即用液闪探测器探测反应堆中微子,但难度要大得多。一方面,为了测到足够多的中微子,探测器的有效质量需达2万吨;另一方面,为了保证测到的数据足够精确,在倍增能量精度的同时还要尽可能地提高光子转化成电子的效率。(称为量子效率)。

  对此,高能所的科学家们集思广益,为江门中微子实验出谋划策。首先,设计了目前世界上尺寸、规模最大的中微子探测器;其次,将用于接受光子的光电倍增管覆盖全部探测器,使其排布效率达到极限;最后,高能所的科学家们与多家研究院所、企业合作,经过多年的努力,终于研发出一种新型的高量子效率光电倍增管,并将用于江门中微子实验。

  江门中微子实验于2013年立项,2014年成立国际合作组,预计2020年运行取数,大约运行5年后可以给出中微子质量顺序的确切答案。该实验不仅能测量中微子质量顺序,还将精确测量中微子振荡的6个基本参数中的3个至优于1%精度的国际最高水平,以检测中微子混合的幺正性、寻找新物理,并可以在超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、暗物质寻找、质子衰变等方面做出贡献。“在完成首要科学目标以后,我们还计划对江门中微子实验做出进一步的升级改造,以研究中微子是否是自身的反粒子。”王贻芳说。

  目前,下一代中微子实验还包括韩国的反应堆中微子实验(RENO-50)、美国的加速器中微子实验(NOvA和DUNE)以及其在南极的大气中微子实验(PINGU)、日本的加速器和大气中微子实验(Hyper-K)、印度的大气中微子实验(INO)、法国在地中海的大气中微子实验(ORCA)等。

  竞争与突破共生,挑战与机遇并存。中微子世界的未解之谜正是我国粒子物理实现跨越式高速发展、达到国际领先水平的攀登梯、助推器。“小平同志当年说我们要在世界上占有一席之地,而现在,我们有更高的要求,不光是占领一席之地,更要在国际上取得领先、要做领跑者。”王贻芳十分自信地说道。

 


 
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