走近中国大科学工程：大亚湾中微子装置

■走近中国的重大科学项目

中微子是最隐秘的基本粒子，它落入了中国人的陷阱，并承认了自己的转换秘密。大亚湾中微子装置是迄今为止中国最成功的粒子物理实验装置，位于距离深圳大亚湾核反应堆360米、100米高的花岗岩山内。2012年3月8日，它宣布成功发现了一种新的中微子振荡模式，引起了全世界的关注。《科学》杂志网站称，大亚湾实验装置“可以说是中国历史上最重要的物理成就”。

大亚湾发现中微子的第三种变化

中微子来自核反应堆、太阳、超新星、地核等。，携带着暗物质和天体的秘密。它们是基本粒子中的“隐士”，质量小，不带电荷，几乎不与任何粒子反应。只有装有这种含有大量粒子的探测器的大亚湾装置才能勉强阻挡几个中微子。

中微子分为三类:电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——一种类型变成另一种类型。三种振荡的定量描述是θ12、θ23和θ13。前两种是在大气中微子和太阳中微子实验中发现的。

大亚湾实验是对第三种振荡模式的测量。在这种振荡中，一个主要由电子中微子组成的“大集团”已经成为一个主要由τ中微子组成的团队在行进。θ13的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。

由于科学的重大意义，国际上已经提出了八个类似的中微子实验。中国科学院高能物理研究所提出的大亚湾实验方案因其地理优势和独特的设计吸引了国际关注。美国能源部放弃了对其两个实验项目的支持，转而支持美国科学家加入大亚湾实验。

大亚湾的科学家最初预测，要达到测量θ13至1%精度的实验目标，大约需要两年时间。然而，检索开始三个月后，即2012年3月，他们宣布胜利。大亚湾实验装置的成功之处在于非常精确地计算出θ13-8.8度，误差为±0.8度。

精致的实验设计

从阳光明媚的海滨到钻进黑暗的洞穴。大亚湾排山隧道总长超过3000米，有八个中微子探测器分布在三个相连的地下实验室，大小相当于一个电影院。每个探测器是一个直径5米、高5米的圆柱体，里面有一个不锈钢外壳和一个透明的“液体闪光”(液体闪烁体)。他们被放在游泳池里。

“液体闪蒸”的主要成分水和烷基苯都具有高质子密度。附近的核反应堆每天产生10到26个反中微子。当它们穿过水和烷基苯时，很小一部分(每天1000个)会迎面撞上质子，产生光子和中子。中子再次与液体闪光反应，释放光子。液体闪蒸中的钆将加速这一过程。微弱的光被探测器中的光电倍增管放大并记录下来。中微子能量越高，反应发出的光就越强，但这不是正比的。科学家需要根据光的强度来计算中微子能量。

如果在反应堆附近和远处探测到的中微子之间的能量差异是明显的，这意味着中微子正在从近到远“转换”1000多米。

大亚湾实验数据每十分钟由计算机压缩一次，然后传送到中国科学院计算中心和美国伯克利国家实验室计算中心。每日数据量约为300GB。实验中不能避免干扰:实验设备的异常高压、异常核反应堆、宇宙射线等。每天有360次中微子相关的闪烁，但是有250，000次宇宙射线闪烁。必须过滤并提交数据。

中国制造是保证

中国科学院高能物理研究所所长王表示，实验设计的目的不是建造大型整体探测器来提高精度，而是制造几个小型模块化探测器，这在中国尚属首次。在实验中不仅便于更换探测器的远近点，而且减小了探测器的体积，使隧道断面不太大，安装方便。

“高能研究所提出了世界上设计指标和精度最高的独特实验方案。”王说，中国和美国的合作伙伴就在同一个实验室放置2-4个相同的探测器进行比较测量的计划进行了激烈的争论。实验数据后来证实了中国计划的有效性。

中国还解决了在液体闪烁中掺杂钆的国际问题。在发展液体闪烁的过程中，中国人和美国都有自己的公式，而且都认为自己是最好的。在这场纠纷中，双方不得不寻找第三方进行测试。测试结果表明，中国人的液体闪光质量较高，能长时间保持液体闪光清晰。

本项目建造的中心探测器钢罐直径5米，高5米。它的壁厚只有1厘米，变形应该控制在1毫米以内。制造商说，他们已经对这种独特的钢罐进行了80多次焊接试验，花了一年多的时间才制造出这样一个20吨的钢罐。

当装配大厅的混凝土地板完工时，美国科学家们一寸一寸地躺在地上，用硬木敲击并仔细聆听，以确保地板上没有缝隙，从而确保设备的安装质量。他们发现中国建筑的质量无懈可击。

大亚湾在国际高质量项目科学竞赛中处于领先地位。

第二代实验设备也在广东

2016年2月，大亚湾传出新消息。科学家测量了迄今为止最精确的反应堆中微子能谱，发现了两个与理论预期的偏差。在一些模型中，反应堆产生的中微子比预期低6%。这是理论上的缺陷还是由惰性中微子振荡引起的？距离大亚湾200公里的广东江门正在建造的下一代中微子实验设施可能会回答这个问题。由中国、法国、德国、意大利、俄国和美国的200多名科学家组成的江门地下中微子实验国际合作小组已经成立，发言人是王。

朱诺实验设施位于开平市大石山700米外的一个人工洞穴中。初步建设目前正在进行中，预计将于2019年底完成并投入运行。朱诺实验将比大亚湾中微子实验大100多倍。它计划投资10亿元人民币运行至少20年，成为中国最大的高能物理设备。

朱诺的视力将比大亚湾更敏锐。能谱就像中微子的手掌。朱诺可以通过指出光滑掌纹上的细小皱纹来揭示中微子的本质。

“中微子是什么粒子？我们不明白。因为这是最难衡量的。”中国科学院高能物理研究所的中微子科学家和研究员曹骏说，在当前的粒子标准理论模型中，希格斯粒子被赋予质量，但中微子的质量比这低15个数量级，“非常不自然”。为了解释为什么中微子如此轻，理论家们倾向于相信跷跷板机制，认为有一种尚未被发现的重中微子，叫做惰性中微子，它也可能是暗物质的一个组成部分。凭借其极高的探测精度，JUNO将帮助科学家理解中微子的本质。

此外，曹骏说，JUNO设备还可以探测超新星中微子和来自地核的中微子，开启了中国在这两个领域的研究。