中微子“振荡”大亚湾之后……

液体闪蒸置换装置将于2017年安装

曹骏在工地

■程，本报见习记者

世界上最好的中微子探测器潜伏在大亚湾核电站附近数百米深的山里。它最初被用来确认中微子的第三种“转换”模式，并在几年前完成了它的任务。现在，在国家自然科学基金重大项目的支持下，它正稳步走向新的征程。

“振荡”世界中的中微子

中微子是个神秘的家伙。长期以来，它一直在挑战人类的认知能力。

作为一种质量极小的不带电荷的基本粒子，中微子的数量非常大。它们以每秒万亿次的速度*穿过人体，并以接近光速的速度运动。因为它几乎不与任何物质相互作用，所以它在宇宙中也有“幽灵粒子”的称号。

不仅幽灵出现了，中微子也“转变”了——它们可以在飞行中从一种类型转变为另一种类型，即中微子振荡。它对振荡有三种定量描述，分别是θ12、θ23和θ13。科学家通过大气中微子和太阳中微子实验测量了前两个。只有代表第三振荡模式的θ13，长期以来一直与世界各地的物理学家玩捉迷藏。

时间可以追溯到2012年3月8日，这是科技界值得纪念的一天。

同日下午2时15分，由中国科学院高能物理研究所牵头的大亚湾中微子实验(以下简称大亚湾实验)国际合作小组在北京宣布，大亚湾实验发现了一种新的中微子振荡，并利用两个近点和一个远点实验大厅的六个中微子探测器的数据测量了其振荡概率。实验达到了前所未有的精度。第三种中微子振荡模式的振幅为9.2%，误差为1.7%，无振荡的可能性仅为万分之一。

"这是一项具有重大物理意义的重大成就."诺贝尔物理学奖获得者李政道曾经这样说过大亚湾实验。

那时，许多荣誉蜂拥而至。在短暂的喜悦之后，中国科学院高能物理研究所的研究员曹骏陷入了更深的思考。

中微子振荡的信号不仅反映在中微子数量的减少上，还反映在测量的中微子能谱的变形上曹骏告诉《中国科学新闻》，由于不同能量的中微子振荡概率不同，在近点和远点检测到的中微子的能量分布(能谱)也不同。研究能谱的变形可以测量尚未测量的振荡频率，也可以更精确地测量振幅。

然而，这项看似简单的工作进展并不顺利。为了测量中微子能谱，我们必须首先准确地了解探测器对不同能量的中微子的反应，这是一条非线性曲线曹骏说。

曹骏说，工作中的困难主要在于两个方面。“首先，通过大量的研究，我们发现探测器的非线性来自两个因素，电子和液体闪烁体，这两个因素相互交织，现有的数据不足以准确确定。其次，测量的中微子能谱与理论模型不匹配。如果我们假设能谱是正确的，我们需要一条看起来奇怪的非线性曲线。”

这两个问题不仅影响了大亚湾实验背后的物理研究，也严重影响了中国下一代中微子实验——江门中微子实验。它使用20，000吨液体闪烁体，目标是国际中微子研究的下一个主要问题，即中微子质量序列。同时，它还将在精确测量振荡参数、太阳中微子、地球中微子、质子衰变等方面取得国际领先地位。

为了解决这些问题，2014年，国家自然科学基金委启动了“大亚湾中微子实验物理分析及新型探测器关键技术研究”重大项目。五年后，在项目竣工验收会上，曹骏报告了项目的主要进展和成果。这些成就保持了中国在反应堆中微子实验方面的国际领先地位，进一步扩大了中国在中微子研究领域的国际影响曹骏评论道。

五朵金花一起绽放

据了解，通过大亚湾实验，中国在反应堆中微子研究领域取得了领先地位。液体闪烁探测器主要用于探测反应堆中微子。核心技术包括液体闪烁体、光电倍增管和精确的探测器响应研究。正在建设中的江门中微子实验将采用类似的检测技术，但桌面仪器还没有达到研发要求，技术挑战更大。

曹骏说，由于这个原因，主要项目将根据大亚湾实验的数据和设施把研究任务分成五个专题。

主题1侧重于探测器的能量非线性模型。主题2和主题3分别对质量变化和反应堆中微子能谱进行物理分析。首次测量了与反应堆中微子振荡相关的质量方差，精度逐渐提高到2.8%。同时，首次准确测量了反应堆中微子能谱。发现这与理论模型不一致。它激发了国际上对核数据的大量研究，开辟了一个新的研究热点。

主题4和5侧重于硬件核心技术。

其中，课题4研制了液体闪烁替换系统，用江门中微子实验中经过特殊提纯的液体闪烁体替换探测器内20吨液体闪烁体，并通过公式的循环变化进行了一系列非线性、光产额和极低背景的研究。

曹骏透露在实验中有一个有趣的发现。“在液体闪烁体的公式中有一个波长转换器。在以前的国际实验中，有些不需要太多的光输出，也没有添加。有些加了100毫克/升，有些加了20毫克/升，大亚湾实验加了15毫克/升。通过在大亚湾的替换实验，发现一个大探测器只需1毫克，这不仅浪费，而且降低了它的性能。”

为了研究电子非线性，课题5开发了一套高速波形采样电子读出系统，将电子非线性从10%降低到0.5%，误差为0.2%。除了对液体闪烁非线性的研究，探测器的能量非线性已经达到了0.5%的精度，而之前的国际最佳水平超过了1%。这些技术成果不仅提高了大亚湾实验的准确性，也为江门中微子实验奠定了良好的基础。

曹骏说，通过重大项目，一方面，整个团队可以集中精力进行研究；另一方面，团队的一些成员也可以专注于核心技术并服务于科学目标，而不用担心论文的输出。

“我们都有一个共同的科学目标。我们互相合作，互相学习，互相竞争。这样培养出来的年轻人才自然会达到国际水平。”他说。

重大项目实施5年来，大亚湾实验发表了14篇SCI物理论文、2篇技术论文、3篇振荡论文和3篇能谱论文，均由全合作组署名，并由中国自然科学基金委员会标注，均为该领域1%的高被引论文。共有11名医生和22名硕士接受了培训，5名讲师晋升为副教授，2名副教授晋升为教授。许多博士和博士后获得了“居里夫人奖学金”、中德博士后基金、赵忠尧博士后奖学金、粒子物理卓越中心“拔尖青年人才”和“杰出青年人才”等特殊荣誉。

“通过对核心技术的不断研究，我们为江门中微子实验准备了相关技术和人才，力争继续扩大我们在世界上的领先优势。”曹骏说。

加强合作与交流

回顾五年的研发经验，曹骏对合作与交流有着深厚的感情。"对重大问题的研究离不开团队的合作发展."

首先是充分的国际合作。据了解，该项目的研究与合作团队由来自中国、美国、俄罗斯、捷克、智利等国家的科学家组成，其中约一半是外国合作伙伴。

第二是项目团队成员之间的合作。“主题1使用主题4和主题5的结果来获得检测器的整体能量非线性。与此同时，专题一中的物理分析员帮助专题四和专题五中的探测器和电子研究人员设计实验和设备，提出指标，并参与他们的数据分析。然而，主题2和3直接采用主题1的能量非线性研究结果，并参与物理分析。”曹骏说。

此外，项目的研究与合作团队每年组织两次大亚湾国际合作小组会议和江门国际合作小组会议。项目团队成员每年受邀参加大量国际会议，参加国际会议并报告其结果近100次，并获得10次以上的会议报告机会，包括*会议，如“天体物理学和深层物理学国际会议”和“弱相互作用会议”。

曹骏说:“每次会议都有从事相关研究的专业人士参加。这些会议不仅促进了项目内部成员之间的合作，还促进了与项目外部研究人员的交叉合作。”

展望未来，曹骏表示，大亚湾实验将于2020年完成任务，新一代江门中微子实验将于2021年投入运行。通过大亚湾实验实施和本重大项目的研究，验证了几项具有挑战性的关键技术。

特别是反应堆中微子能谱与理论模型之间的不一致性已经成为一个新的研究热点。今年4月，国际原子能机构的核数据中心举行了一次特别会议，讨论中微子实验中发现的核数据问题。它对大亚湾实验和泰山中微子实验抱有很高的期望，这是一个计划中的小型高精度实验。

中国科学日报(2019-05-27第4版自然科学基金)