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【经点科学】今天,这个大科学装置光荣“退役”!
2020-12-14|文章来源:沈慧 |【
 

  12月12日,一年一度的购物狂欢节。 

  当千千万万的“剁手族”沉浸于“买买买”带来的购物快感时,深圳大亚湾核电站内的北部山地,“安坐”在深蓝色的超纯水中的8个中微子探测器,在圆满完成它的科学使命后,正式退役。 

  神秘粒子

 

  在国际上首次发现中微子振荡新模式;寻找惰性中微子…… 

  这座在地下“潜伏”已久的实验室,自成立之初就有一个明确而清晰的目标——探测核反应堆产生的中微子。 

  这是一个来自何方的神圣?关于它,科学界曾经知之甚少,如今正一点点拨开迷雾。 

  目前已经达成的共识是: 

  中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子,以接近光速运动; 

  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; 

  每秒钟会有亿万个中微子穿过我们的身体,但无法察觉,它几乎不与任何东西发生反应,甚至可以轻松穿过整个地球,被称为宇宙间的“隐身人”。 

 

  看不见、摸不着,如此神出鬼没,科学家们缘何对其情有独钟?答案是:中微子身上可能背负着宇宙的很多秘密。 

  比如,这种神秘粒子从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间,无处不在,平均每立方厘米就会有300个,与宇宙的起源和演化有着千丝万缕的联系。 

  再如,科学家们认为,中微子很可能与宇宙中“反物质消失之谜”有关。 

  于是,揭开笼罩在中微子头上的神秘面纱,成为近年来物理学界的一个研究方向。其中,科学家们十分关注的一个科学问题是,中微子到底有没有质量。 

  随着研究的深入,上述争议有了定论。 

  十几年前,通过对太阳中微子和大气中微子的研究,有科学家发现,中微子还有一个神奇的特性,即能够在飞行中从一种类型转变成另一种,这就是著名的“中微子振荡”现象。 

  该现象表明:中微子无论多小都具有质量,这是粒子物理学的历史性发现。 

  因为这一重要发现,两位中微子实验的科学家被授予2015年诺贝尔物理学奖。 

  

中国突破
 

  仰望星空,探索宇宙,中国不甘落后,亦具备得天独厚的条件。 

  在我国广东省的大亚湾,坐落着核反应堆群,每秒钟产生的中微子多达35万亿亿个,同时,这里依山傍海,适合建地下实验室屏蔽宇宙线,是开展反应堆中微子实验极佳的地方。 

  就这样,经过4年酝酿、4年建设,大亚湾中微子实验室很快落成。这是一个研究基本粒子物理的实验设施,主要目标是利用核反应堆产生的电子反中微子寻找一种新的中微子振荡,并精确测量该振荡的几率。 

   时光不负情深。  

 

  2012年3月8日,大亚湾实验国际合作组宣布发现了一种新的中微子振荡,并以前所未有的精度,测得其振荡大小为0.092,误差为0.017,无振荡的可能性仅为千万分之一。这一重大发现对于研究物质本原和宇宙起源,理解宇宙中反物质消失之谜具有重要意义。 

  也在国际高能物理界引发了强烈反响。诺贝尔物理学奖获得者李政道、卡罗?鲁比亚等国际知名专家第一时间表示祝贺。 

  该实验成果入选美国《科学杂志》2012年度十大科学突破,获得了2016年度“基础物理学突破奖”、2016年度国家自然科学一等奖、2019年度未来科学大奖等多个奖项。 

  从此,中国的中微子研究从无到有,跨入了国际先进行列。 

  而这只是个开始。 

  将中微子振荡振幅的测量精度从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; 

  精确测量了反应堆中微子能谱,发现与理论模型相比,存在两处明显反常,未来需要进一步研究; 

  给出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…… 

  “实验成果超乎预期。”中国科学院院士、大亚湾中微子实验项目负责人王贻芳坦言。 

  他说,大亚湾中微子实验使我们对物质世界的基本规律有了新的认识,该实验发现的中微子振荡振幅比预期要大得多,为未来中微子研究指明了方向。新一代的大型中微子实验装置因此得以开始建设,包括美国的“沙丘”实验和日本的顶级神冈实验。 

  岁月不居,时节如流。转眼间,大亚湾中微子实验装置走到了“暮年”:当初按照最高标准建造的仪器设备,现圆满完成任务,光荣“退休”。 

  但向着科学的高峰努力攀登,如今中国新一代的大型中微子实验装置——江门中微子实验,预期2022年完成建设。 

  在不远的将来,它将接过“先辈”的接力棒,揭开中微子质量顺序的谜底,并在中微子振荡参数的精确测量、天体中微子、地球中微子、新物理寻找方面,续写新的传奇。

 

  (源自经济日报经点科学工作室 2020/12/12版) 


 
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