中微子实验：看神秘粒子如何“振荡”世界

图1大亚湾中微子实验总体布局。

图2一个110吨的中微子探测器被吊入一个10米深的水箱。

图3中微子探测器成功安装在一个巨大的水池中。

(信息图片)

在2016年国家科学技术奖会议上，大亚湾反应堆中微子实验因其对中国粒子物理的巨大贡献获得了国家自然科学奖一等奖。这项实验的成功填补了我国中微子基础物理研究领域的空白，增强了我国物理学家的国际影响力。中微子振荡研究的首次尝试取得了如此显著的成果，这在世界上是非常罕见的。那么，什么是中微子振荡？实验是如何成功的？让我们听听《经济日报》的记者向你解释。

“幽灵”粒子来去无踪

中微子通常用符号ν来表示，它与带电轻子和夸克一起被称为物质世界中最基本的粒子。人们称之为“闪光”——中微子质量很轻(不到电子的百万分之一)，移动速度接近光速，具有极强的穿透力，能轻易地穿过与地球直径一样厚的物质；人们称之为“独行侠”——中微子只参与非常微弱的相互作用，而且在亿万个中微子中只有少数几个会与物质发生反应，因此中微子探测非常困难。很难搞清楚——中微子有大量未解之谜，包括它们的质量大小和起源、磁矩、CP破坏大小等。，但无处不在——宇宙充满了大量的中微子，大约每立方厘米300个，而且大多数粒子物理学和核物理过程都伴随着中微子，如核裂变、核聚变、β衰变等。

中微子在飞行中从一种类型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个中微子相互转化时的振幅，即θ12、θ23和θ13。

1998年的超级人马座实验和2001年的SNO实验先后测量了混合角θ12和θ23，证实了中微子的质量，获得了诺贝尔物理学奖。然而，第三振荡混合角θ13一直没有被发现，直到2012年大亚湾中微子实验首次公布了θ13的精确测量结果。"这是物理学中具有根本意义的重大成就."诺贝尔物理学奖得主李政道评论大亚湾实验。

大亚湾实验的科学意义在于θ13值的确定，这使科学界对中微子的基本特性有了更深入的了解，并预示着中微子的所有谜团都有望在不久的将来得到彻底解决。“基础研究的主要目的是了解世界。这项实验的成功标志着我们在发现自然方面又向前迈进了一步。这是我们对人类的贡献。”中国科学院高能物理研究所所长、大亚湾中微子实验首席科学家王说。

此外，大亚湾实验提高了我国相关领域的技术水平，从高精度大规模探测器加工到特殊材料，从化学工程到高速读出电子学，培养了一批具有国际标准的年轻研究人员，为我国基础物理研究的发展奠定了坚实的基础。

追求完美，抓住第一次机会

大约在2003年，来自不同国家的科学家提出了总共8种可能的测量θ13的实验方案，包括大亚湾反应堆中微子实验方案。如何在与美国、日本和欧洲等经验丰富的球队的激烈竞争中脱颖而出？

"获胜的第一个原因是我们的实验设计比其他设计更精确."王告诉记者，大亚湾实验的测量精度比以前的实验高一个数量级，是国际上8个同类方案中精度最高的。“我们想为世界提供最准确的振荡参数。我们必须尽最大努力。”王对说道。

"其次，我们的方案设计具有优势和创新性."王说，大亚湾实验采用了远近相对测量法，一个探测器在反应堆附近，另一个在反应堆2000米左右。通过这种方式，可以部分抵消与探测器相关的误差，例如探测效率、目标的有效体积、目标核的数量和能量测量，从而提高实验灵敏度。

此外，大亚湾实验创造性地在一个实验大厅里放置了多个相同的探测器，这是世界上唯一使用这种设计方法的中微子实验。多个相同探测器的测量便于比较，实验误差减少了“N倍的根符号”。

设计师们还花了一些时间来选择实验大厅的位置。为了解决远近点探测器的位置、宇宙射线的背景和山体覆盖层的厚度等问题，科学家们将1:5000的数字地形测量图转换成山体轮廓。在平面上以50米为网格，比较了三个实验大厅移动到不同位置时θ13测量的灵敏度，定量计算了不同因素对测量结果的影响，从而确定了大亚湾实验的总体布局。

"如果你想成功，你必须做好每一件事。"大亚湾实验具有最大的反应堆功率、最合适的远点基线、最大的探测器质量和最深的岩石覆盖面。此外，科学家们努力追求卓越的设计理念，不断提高研究态度，使实验在测量精度、灵活性和可靠性方面达到前所未有的高度，使大亚湾实验成为“中国历史上最重要的物理成就”。

技术创新克服困难

液体闪烁体(以下简称液体闪烁体)是中微子实验中使用的探测介质。钆是一种稀土元素。液体闪烁中掺钆可以放大相关信号，提高探测精度。然而，如何在液体闪烁中掺杂钆并保持其稳定性是大亚湾实验中最重要也是最困难的瓶颈。大亚湾中微子实验项目副经理曹骏告诉记者，在由有机物组成的液体闪烁体中加入无机钆，由于钆的不溶性会导致钆析出，使液体闪烁体无法被有效检测。“将化学技术与核物理结合起来，这样的跨境研究和开发确实很困难。”曹骏说。

高能研究所的化学专家张志勇告诉曹骏，钆可以转变成有机钆配合物，从而提高其在有机液体闪烁中的溶解度。通过许多实验，尝试了多种配体来生成钆配合物。最后发现，异壬酸与钆反应生成的配合物进入液体闪烁后对液体闪烁的透明度和光产率没有明显影响，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解决掺钆液体闪烁稳定性的问题，并对HEC的公式表示怀疑。“这完全可以理解。我们互相交换样本进行测试，我们都认为这是可行的，但最终我们无法就使用谁达成一致。”王对说道。

作为捕获中微子的核心物质，一旦出现问题，掺钆液体闪烁将使整个实验失败。中国和美国分别提供了样品，位于香港大学的第三方实验室进行了光学性能和稳定性测量。最终，港灯研制的掺钆液体闪烁剂顺利通过了测试，其配方和技术为大亚湾实验的成功完成做出了巨大贡献。

技术难题解决后，大规模生产给大亚湾的科学工作者带来了难题。为了防止金属进入液体闪蒸，影响掺钆液体闪蒸的稳定性，所有与液体闪蒸接触的零件必须使用有机玻璃和氟塑料，这给加工、生产和运输带来很大困难。

实验所需的钆掺杂液体闪烁分50批生产。在整个过程中，现场人员逐级仔细检查。经过合理的分工、密切的合作和日以继夜的艰苦奋斗，不到两个半月就完成了50个批次的整体生产，重复性非常好。到目前为止，大亚湾实验已经运行了几年，掺钆液体闪烁仍然稳定，完全满足回收要求。

展望未来，国际领袖

大亚湾实验在θ13测量中获得第一名，为中国中微子物理研究迈出坚实的一步。然而，中微子世界仍有许多未解之谜有待探索和解决。目前，中微子研究的一个非常重要的方向是测量其质量序列，这也是江门中微子实验的主要科学目标王对说道。

江门中微子的实验原理与大亚湾实验相同，即使用液体闪烁探测器探测反应堆中微子，但难度要大得多。一方面，为了探测到足够多的中微子，探测器的有效质量需要达到20000吨；另一方面，为了确保测量数据足够精确，在能量精度倍增的同时，应尽可能提高光子到电子的转换效率(称为量子效率)。

作为回应，高能研究所的科学家们集思广益，为江门中微子实验提出了建议。首先，设计了世界上最大的中微子探测器。其次，用于接收光子的光电倍增管覆盖了所有的探测器，使得排列效率达到极限；最后，高能研究所的科学家与许多研究机构和企业合作，终于研制出一种新型的高量子效率光电倍增管，将用于江门中微子实验。

江门中微子实验于2013年建立，预计将于2020年运行以检索数据。经过大约5年的运行，中微子质量序列的精确答案就可以给出了。该实验不仅能测量中微子的质量序列，而且能精确测量中微子振荡的6个基本参数中的3个，达到国际最高水平，精度优于1%，从而检测中微子混合的单一性，发现新的物理学，为超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、暗物质搜索、质子衰变等做出贡献。“在完成主要科学目标后，我们还计划进一步升级江门中微子实验，以研究中微子是否是它们自己的反粒子。”王对说道。

下一代中微子实验还包括韩国的反应堆中微子实验、美国的加速器中微子实验、南极洲的大气中微子实验以及法国地中海的大气中微子实验。中微子世界未解之谜是中国粒子物理学实现跨越式高速发展和达到国际领先水平的助推器。