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大亚湾反应堆中微子实验开始获取数据
2011-08-15|文章来源:实验物理中心 所办 |【
 

  两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器成功安装在巨型水池之中,水池已逐步灌满超纯水。水池壁上安装着光电倍增管,通过探测宇宙线穿过水后产生的切伦科夫光,去除宇宙线对中微子探测的干扰。科研人员正在进行实验前的系统调试。

 

  8月15日15时,大亚湾反应堆中微子实验国际合作组在京宣布,位于广东大亚湾核电站内的实验装置经过历时四年的建造,在地下100米深、距反应堆仅360米的近点实验大厅内,安装就位的两个中微子探测器已经探测到来自核电站反应堆群的中微子。这标志着大亚湾国际合作组对中微子第三种振荡模式的测量迈出了第一步,实验结果很可能会对宇宙中为什么物质多于反物质提供线索。

  中微子是一种难以捉摸的基本粒子,质量非常微小,不带电,太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子,甚至于人体极为微弱的天然放射性,每天也会产生大量的中微子。它极难被探测,几乎不与物质发生相互作用,可以轻松地穿过人体、建筑,甚至地球,不带来任何影响。中微子有三种类型,或者称之为“味道”,即电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以通过振荡从一种类型转变成另一种类型。

  大亚湾实验是对中微子的第三种振荡模式的测量。在这种振荡模式中,主要由电子中微子组成的混合态转变为主要由τ中微子组成的混合态。这是最后一个未知的混合角,称为θ13(西塔一三),其数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向,并且与宇宙中“反物质消失之谜”有关。大亚湾实验的科学家们预计,要实现测量θ13到百分之一的精度的实验目标,大约需要两年的取数时间。

  由于科学意义重大,国际上曾先后提出了8个实验方案。由我国科学家提出的大亚湾实验方案具有独特的地理优势和独到的设计,得到了国际上的广泛支持。美国能源部放弃了支持本国的两个实验方案,转而支持美国科学家加入大亚湾实验的合作。自2006年起成立的大亚湾国际合作组,目前已发展为由来自6个国家和地区的39个研究机构,250名研究人员组成。实验的中方经费由科技部、中国科学院、自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团共同支持,在我国开创了国家、地方与企业共同支持基础科学研究的先河。中国广东核电集团对大亚湾反应堆中微子实验的建设给予了宝贵支持。该实验是中美在基础研究领域规模最大的合作之一,是美国能源部在国外投资第二大的粒子物理实验项目。

  “这是一个非凡的成果,来自全球数百位科学家和工程师八年的努力——四年的计划准备和四年的建设。”大亚湾实验合作组发言人、中国科学院高能物理研究所常务副所长王贻芳说,“我们集体努力,建设了一个地下实验装置,探测来自反应堆的中微子,目标是寻找一种新型的中微子振荡并对它进行精确测量。”

  “从大亚湾获取的第一批数据使我们可以开始测量这个未知混合角,并最终将振荡幅度测量至1%的精度以内。”来自美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的大亚湾合作组发言人陆锦标说道,“这个精度比现在的测量结果高出一个数量级,而且远比正在进行中的其它实验精确得多。实验结果将对解释中微子在宇宙大爆炸后最早的一段时期内基本物质的演化,以及为什么今天宇宙中物质比反物质更多做出重大贡献。”

  大亚湾实验地理位置优越,紧邻世界上最大的核反应堆群之一,并且紧邻高山,非常适合对θ13进行精确测量。它通过8个全同的探测器来获取数据,探测器放置在附近山底下的三个地下实验大厅中。

  距大亚湾反应堆360米的一号实验大厅最早开始投入运行,距岭澳反应堆约500米的二号大厅今年秋天将开始运行,最远的三号大厅,离核反应堆群约两公里,也会在2012年的夏天开始取数工作。

  大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验。周围的反应堆产生了海量的电子反中微子。两个近点大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量,而远点大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。

  每个中微子探测器为直径5米,高5米的圆柱形,装满透明的液体闪烁体,总重110吨。当捕捉到中微子时,液体闪烁体将发出微弱的闪光。高灵敏度的光电倍增管安装在探测器的内表面,放大并记录这些闪光。

  相比反应堆每秒钟产生的无数中微子而言,近点实验大厅中的两个探测器只能捕捉到极小的一部分,大约每天一千多个。而位于远点实验大厅的4个探测器,由于距离较远,每天只能探测到几百个。为了测量中微子混合角θ13,实验需要准确记录远、近探测器的通量差别和能量分布。

  实验大厅位于深山底下,以屏蔽宇宙线,同时,探测器放置在水池之中,以屏蔽周围岩石层的放射性。尽管有这些屏蔽,一些高能量的宇宙线依然可以穿山而入。这时,装在水池墙上的光电倍增管和水池顶上的μ子探测器会记录下这些宇宙线的轨迹,并从中微子数据中排除掉。

  中国与美国领导了大亚湾反应堆中微子实验,同时还包括来自俄罗斯、捷克、中国香港和台湾的合作者。国内单位包括中科院高能所、清华大学、中国科学技术大学、南京大学、上海交通大学、山东大学等15个科研院所和院校。中方由来自中国科学院高能物理研究所的王贻芳任项目经理,美方由来自劳伦斯伯克利国家实验室的比尔·爱德华兹任项目经理、布鲁克海文国家实验室的史蒂夫·科特尔任首席科学家。

    

  大亚湾实验将安装8个中微子探测器(中心探测器)。探测器直径5米,高5米,由直径分别为3米和4米的薄壁有机玻璃罐分隔成三层嵌套的同心圆柱,由内向外依次灌装掺钆液体闪烁体,普通液体闪烁体和白油,总重110吨。当中微子在探测器中被捕获时,将激发液体闪烁体发出微弱的闪光,由安装在白油中的光电倍增管探测到。图为正在洁净间中组装的中心探测器。

 

110吨重的中微子探测器正在吊装入10米深的水池中,并安放在2.5米高的台架上。

  

大亚湾反应堆中微子实验的合作单位有:

  中国:北京师范大学、成都理工大学、中国广东核电集团、中国原子能研究院、香港中文大学、东莞理工学院、香港大学、中国科学院高能物理研究所、南开大学、华北电力大学、台湾交通大学、南京大学、台湾大学、台湾联合大学、山东大学、上海交通大学、深圳大学、清华大学、中国科学技术大学、中山大学

  美国:布鲁克海文国家实验室、加州理工学院、伊利诺理工学院、爱荷华州立大学、劳伦斯伯克利国家实验室、普林斯顿大学、伦斯勒理工学院、锡耶纳学院、辛辛那提大学、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、休斯顿大学、伊利诺大学香槟分校、弗吉尼亚理工大学、威斯康辛大学、威廉与玛丽学院

  俄罗斯:联合核子研究所、库尔恰托夫研究所

  捷克:查理斯大学 

 

新闻链接:

   大亚湾反应堆中微子实验工程网站

   大亚湾中微子实验工程图片资料

   新华网:大亚湾反应堆中微子实验开始获取数据  试图破解宇宙中“反物质消失之谜”

   新华网图片频道:大亚湾 试图破解宇宙中“反物质消失之谜”

   中新网:大亚湾中微子实验开始获取数据 研究反物质

   科学时报:大亚湾反应堆中微子实验工程开机取数

   科技日报:大亚湾中微子探测器首获中微子

   人民日报(海外版):大亚湾中微子实验获得数据 将促解宇宙中“反物质消失之谜”

   澳门日报:国际合作研究反物质消失

   浙江日报:大亚湾反应堆检测到中微子有助破解宇宙“反物质消失”之谜

  physicsworld.com:China–US neutrino facility opens

   interactions.org:The Daya Bay Reactor Neutrino Experiment Begins Taking Data

 


 
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