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江门中微子实验项目启动,将重点研究中微子质量顺序
【南方日报】七百米地底捕捉“幽灵粒子”
2014-08-25|文章来源:南方日报记者 王腾腾 李秀婷 |【
 

  继广东大亚湾反应堆中微子实验完成并取得突破性进展之后,由中国主持的第二个大型中微子实验即将开展。这一实验项目落户于广东省江门市。近日,江门地下中微子实验国际合作组宣布成立,成员包括来自全世界50多个科研机构和大学的200多位科学家。据了解,中科院高能物理研究所江门中微子实验室将于今年底动工建设,实验室及实验装置将建在地下700米深处。

  在粒子物理发展历程中,中微子研究的每一次前进都让关注微观世界的人们兴奋不已。在普通人视野之外的微观粒子世界,这个可以自由穿梭且几乎不与任何物质发生作用的“幽灵粒子”得到了异常的关注。

  2012年,中科院高能物理研究所领衔的大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子的第三种振荡模式,被认为是中国本土最重要的物理学成果。实验测得的中微子混合角出人意料的大,为之后探索中微子的其他秘密铺平了道路。

  而即将在江门开平建设的中微子实验室被高能物理研究所称为“大亚湾二期实验”,它将剑指下一个国际前沿热点——中微子质量测序,同时大大地扩展了研究范围,为我国的中微子研究带来腾飞的机遇。

  江门中微子探测器将是世界上能量精度最高、最大的液体闪烁体探测器。当捕捉到来自反应堆的中微子时,液体闪烁体会发出非常微弱的闪光。光电倍增管可以看到最微弱的闪光,并把它转为电信号,形成科学家们研究的数据。

  1 振荡证明“幽灵粒子”有质量

  根据量子物理的法则,粒子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。发现中微子振荡,证实了中微子其实是有质量的

  中微子是组成物质世界的基本粒子之一,除引力之外,只参与弱相互作用,可在宇宙间自由穿梭,几乎不与任何物质发生作用。正因为这些特性,1930年奥地利物理学家泡利提出中微子存在的假说,在26年之后才被实验证实。中微子也被称为“幽灵粒子”。

  中微子在宇宙中的个数极多,据目前的研究成果估算,约占所有物质粒子的一半。但长久以来,中微子的质量都被忽视了:在粒子物理的权威理论——标准模型中,中微子的质量被认为是0。

  1998年,日本超级神冈实验发现了大气中微子存在着振荡现象。在此之前,科学家们确认中微子有三种形态:电子中微子、μ(缪)中微子和τ(陶)中微子。而中微子的振荡则是指中微子会在这三种形态之间转换。

  在超级神冈实验中,日本科学家设计的装置主要是用来探测宇宙射线与地面上空20公里处的大气层中各种粒子发生碰撞产生的缪中微子。研究人员在535天的观测中捕获了256个从大气层进入实验装置的缪中微子,只有理论值的60%;其中在实验地背面的大气层中产生、穿过地球来到观测装置的中微子有139个,只剩下理论值的一半。

  这即意味着,随着时间与空间的变化,一种被定向测量的中微子部分消失了,而根据中微子几乎不与物质产生反应的特性,可以判断这种消失的中微子有可能变换了容貌,从观测者眼皮底下“溜走”了。

  这便产生了“太阳中微子消失之谜”以及“大气中微子消失之谜”。科学家们推断,这可能是因为可检测到的中微子在通过大气和穿过地球时,一部分发生了振荡现象,变成了检测不到的陶中微子。

  中微子的振荡,像是幽灵投下的影子,“暴露”了中微子的质量。根据量子物理的法则,粒子之间的相互转化,只有在其具有静止质量的情况下才有可能发生。“发现中微子振荡,证实了其实中微子有质量,只不过它非常非常小,现有技术还不能直接测出来。”中科院高能物理研究所研究员、大亚湾以及江门中微子实验主要负责人之一的曹俊说。

  既然有质量,那么中微子的质量到底是多少?

  曹俊介绍,之前的中微子振荡实验研究只能测出中微子的质量平方差,不能给出绝对质量。现有的直接测量以及宇宙学测量则说明中微子的质量不足电子质量的百万分之一。这些研究结果还不足以求得中微子的质量。

  中微子绝对质量的测量,要通过中微子非振荡物理研究来得出结论。曹俊介绍,这种研究可以通过精确测量β衰变的电子能量端点,或者测量无中微子双β衰变(假如存在这类衰变的话),或者通过宇宙学测量。这样可以得到中微子质量的另一个关系式,结合上述已知的条件,就能解出三种中微子的质量。不过,无论哪种情况,要算出中微子的质量,都必须先知道中微子的质量顺序。

  2  三种中微子如何“排排坐”

  中微子的质量排序具有重要的科学意义。如果完成了质量测序,并发现早期存在中微子的CP破坏,就可以合理解释物质与反物质的不对称

  大亚湾中微子实验结果发表后,中微子振荡的三种模式已经被全部发现,在接下来的中微子实验中,质量测序被提上议事日程。

  根据中微子的来源,中微子可划分为太阳中微子、大气中微子以及反应堆中微子等。“太阳中微子是由太阳内部的核聚变产生的,是电子中微子;大气中微子是宇宙射线在大气中与核碰撞产生的,其中约1/3是电子中微子,2/3是缪中微子,各有一半是正中微子,一半是反中微子;反应堆中微子则是核衰变产生的电子反中微子。”曹俊介绍。

  科学家们将电子中微子、缪中微子、陶中微子对应的质量态分别设定为m1、m2、m3。由中微子存在振荡现象我们可以知道,中微子存在混合现象,即太阳中微子、大气中微子以及反应堆中微子分别可以看成是不同比例的m1、m2、m3的混合态。

  曹俊指出,由于能量较高的太阳中微子振荡主要发生在太阳内部,电子中微子可与太阳内的电子相互作用,产生物质效应,由此可以确定m2>m1。而大气中微子振荡则只能测得质量平方差的绝对值,因此研究者不清楚三种中微子的质量顺序是正的(m3>m2>m1)还是反的(m2>m1>m3)。

  高能物理研究所在江门开平所进行的实验便是为测量中微子的质量顺序而开展,实验室及实验装置将建在地下700米深处。“这个实验项目预期2020年建成运行,6年后可将质量顺序确定到4倍标准偏差。”曹俊说。

  如果完成了中微子的质量测序,引申出的研究中,最让人着迷的便是中微子CP破坏的测量。

  在标准模型中,正反物质总是成对产生、成对湮灭,形成完整的物质与能量的相互转换。照此来说,物质和反物质在宇宙大爆炸中被创造出来,数量应该相同。接下来的一场相互作用的风暴中,正反物质本应同归于尽,只留下光子充斥整个宇宙。

  但事情并不是这样发生的。在已知的研究中,我们并没有发现由反物质组成的星球或者观测到反物质的大量存在,也就是说物质与反物质的数量并不对称。

  这种不对称得益于一种叫做电荷宇称对称性(CP)破坏的作用。一种形象的表述是:在你观察一个粒子反应的同时,另一个在镜子中的人观察由这个粒子的反粒子发生的同一种反应,你们看到的反应速率会稍有差别。

  就是这个细微的反应速率的差别,让物质在与反物质相互抵消之前取得了数量上的领先,恒星、星系组成的物质世界才能“幸存”。

  虽然这种CP不对称的现象在由夸克构成的复合粒子中已经被实验证实,但观察到的反应速率差别不足以解释为何大爆炸产生的反物质荡然无存。宇宙大爆炸以及反物质消失之谜被证实的希望便落到了中微子的CP破坏上。早期如果存在中微子的CP破坏,就可以合理解释物质与反物质的不对称。“江门中微子实验测量质量顺序和精确测量混合参数,将对寻找中微子的CP破坏证据起到重要作用。”曹俊说。

  3 揭开更多世界谜团

  江门中微子实验或将在超新星中微子、太阳中微子、大气中微子、地球中微子等领域做出国际领先的研究成果,由此吸引了各国科学家的参与

  虽然江门中微子实验的地点是为测量质量顺序而选,但吸引人的远不止于此。江门中微子实验高性能、大质量的探测器将具有非常丰富的物理目标,将对当前中微子研究领域的多个未知问题进行国际领先水平的研究。

  曹俊介绍,江门中微子实验可以通过研究反应堆中微子振荡,同时精确测量中微子的混合参数和2个中微子的质量平方差参数,这种精度能达到小于1%的误差。

  精确测量混合参数将有助于寻找新物理的突破口。例如,如果像很多理论物理学家所希望的那样,存在一种重的马约拉纳中微子,就有可能通过精确的混合参数看出来。

  江门中微子实验室还可以探测超新星中微子。超新星对宇宙学和天体演化具有极为重要的意义。事实上,组成我们身体的很多重元素只有超新星爆发才能合成出来。

  到目前为止,人们总共探测到二十多个超新星中微子事例,来自于超新星1987A的爆发。超新星爆发时,99%的能量被中微子带走,而且只有中微子才能从超新星内部逃逸出来,其他的手段都无法看到超新星的内部。

  人类在上世纪60年代探测到太阳中微子,最大的意义就是证实了太阳的能源来自核聚变,该工作因此获得了2002年诺贝尔奖。“我们现在关于超新星爆发的过程都是基于理论计算和模拟,无法得到证实。假如探测到大量的超新星中微子,就能够证实我们现在的推测是否正确,其意义不亚于当初探测到太阳中微子。”曹俊介绍,对一个类似1987A的超新星,江门中微子探测器将可以探测到5000个中微子。

  江门中微子实验室还将在地球中微子的探测上大显身手。地球中含有铀238和钍232,它们产生的地热可能是驱动地球演化的主要因素。它们衰变产生的中微子称为地球中微子。不同的地球演化模型预言了不同的铀钍含量,通过探测地球中微子,可以获得其他手段无法达到的地球深处的信息。

  日本KamLAND实验首次探测到了地球中微子,意大利BOREXINO也进行了测量,但它们事例数太少,精度不高。江门中微子探测器比它们大20—40倍,能够更准确地探测地球中微子,有可能达到判别地球演化模型所需的精度。

  曹俊介绍,除此之外,江门实验还可以研究太阳中微子、大气中微子、惰性中微子等。

  2014年7月底,江门中微子实验正式成立了国际合作组。中科院高能物理研究所为此已经筹备了差不多两年。今年1月份,中科院高能物理研究所在开平召开了一次大型的筹备会议,欧洲和美国有20个研究机构大约40名代表来到开平参加了会议。

  曹俊说,全世界有相同兴趣的科学家组成合作组,共同参与一个实验,是大型科学实验的常态。大亚湾中微子实验也是以国际合作的形式进行,其中美国有十几个大学和国家实验室参与,并贡献了一半的设备经费,是中美在基础研究领域最大的国际合作,也是美国能源部在海外的第二大投资。

  江门中微子实验或将在超新星中微子、太阳中微子、大气中微子、地球中微子等领域都能做出国际领先的研究成果,因此得到了欧洲粒子天体物理界的大力支持,将江门中微子实验列入了他们的领域规划,并建议各国政府投入经费支持。

  国际合作组中还包括了法国5个大学、意大利6个研究所、德国6个大学,芬兰、捷克、俄罗斯也各有1个大学参与,比利时也打算参加进来。随着研究的进行,还会有更多的研究机构参与进来。“江门中微子实验将成为国际上最重要的中微子研究中心之一。”曹俊说。

  江门是“世界上最适合的选点”

  这样一个国际先进水准的大型科学实验为何落户江门?曹俊告诉南方日报记者,建设中微子实验室,江门拥有着得天独厚的条件,“世界上都找不到比江门更好的点。”

  他介绍,利用反应堆中微子振荡几率中的干涉效应来测量质量顺序,其最佳基线(即核反应堆到中微子探测器的距离)约为60公里。

  到2012年,高能物理研究所的团队发现,阳江核电站和台山核电站的60公里交叉点区位条件不错,这个交叉点就位于江门开平。

  江门开平市金鸡镇和赤水镇交界处的打石山最终被“选中”。它位于阳江、台山两个核电站的物理交汇点,距离核反应堆53公里,来自反应堆的中微子在此处振荡效应最明显。打石山拥有厚厚的花岗岩层,能抵挡来自外界的辐射。

  “江门的这个点不仅是附近唯一的一个点,而且世界上也找不到比这更好的点。”曹俊解释,这是因为反应堆的功率越大越好,越大的话探测器就可以越小,如果反应堆小一半,探测器就要大一倍,昂贵许多。“阳江跟大亚湾一样,有6个反应堆。台山虽然只规划了4个堆,但功率比大亚湾的还要大。两个核电站加起来,是世界上功率最大的。”

  沙向雄是江门市发改局副局长,一直代表江门市参与配合此中微子实验项目。他透露,江门中微子实验项目总投资22亿多元。

  他认为,江门中微子实验室能增进江门的中外科技交流,提升江门及周边地区青少年的科学兴趣,并可成为高能物理的科普教育基地。

  “许多群众对这个项目真实的情况不了解,担心核辐射的问题。”沙向雄表示,考虑到这一点,江门市相关部门也一直主动在向社会宣传和解释这个项目的相关科普知识。

  他介绍,江门市专门邀请了中科院王贻芳教授在五邑大学进行了一场关于中微子的科普讲座。除此之外,五邑大学的学生还建立了一个网站普及相关科学知识,消除公众顾虑。

  “中微子实验项目与天文望远镜类似,望远镜观测的是气象,探测器观测的是中微子。”中科院高能物理研究所所长王贻芳此前在接受采访时表示,中微子实验项目本身不产生中微子,不生产或使用任何核燃料,也不会产生废液、废气,不会对环境造成污染。

  王贻芳介绍,探测器未使用任何放射性物质。实验使用的探测器闪烁液体主要成分是线性烷基苯,主要用作表面活性剂的原料,通常用于生产洗涤剂、乳化剂、分散剂、工业清洗剂等,无色无味无毒。且探测器本身就安置在水中,就算烷基苯从有机玻璃容器中流出,也是留在包围它的大水池中。

  他表示,中微子极难探测,因此必须用极大的探测器,在极干净的环境中才能探测到。“实验装置没有放射性,天然环境中的放射性反而会干扰中微子探测器,因此所有的实验装置和材料,都必须比日常环境更干净。”

  南方日报记者   王腾腾 李秀婷

  策划统筹:  江华 黄慧莹

(原载于:南方日报2014年8月16日A13版, http://epaper.southcn.com/nfdaily/html/2014-08/16/content_7340268.htm


 
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