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探秘大亚湾地下隧道的“幽灵粒子”

2017年08月11日 11:50 来源:人民日报中央厨房 作者:李刚
国家自然科学奖一等奖17年中曾经9度空缺,而今年年初,2016年度国家自然科学奖一等奖被“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”获得。

  国家自然科学奖一等奖17年中曾经9度空缺,而今年年初,2016年度国家自然科学奖一等奖被“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”获得。中微子,又被称为“幽灵粒子”,在科学家眼中,它是人们解释宇宙形成,探索暗物质的媒介,但是它又像幽灵一样极难捕获。大亚湾反应堆中微子实验基地发现第三种中微子振荡模式并精确测量到其振荡概率,被国外同行誉为“中国有史以来最重要的物理学成果”。

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  大亚湾反应堆中微子实验基地。

  2017年8月7日,在大亚湾核电站开工建设30周年纪念日之际,记者有幸造访大亚湾反应堆中微子实验基地,探秘科学家们如何捕获这宇宙中神奇的“幽灵粒子”。

  在沙漠中寻找一粒特定沙粒

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  探测器就放置在大厅的地下水池中。

  岭南的八月酷暑难当,室外温度30摄氏度以上,但穿过不知道到底有多长的山底隧道,洞底的寒意直往外涌。如果不是两边的管线和个式实验仪器提示,还真仿佛来到了《西游记》里的无底洞。

  电瓶车终于在隧道底部一个灯火通明大厅前停住了,捕获“幽灵粒子”的探测器就放置在这个大厅的地下水池中。

  大亚湾反应堆中微子实验位于深圳市大亚湾核电基地,为中广核与中科院合作开展的世界级物理研究项目。大亚湾中微子实验项目包括2个近端探测器实验厅、1个远端探测器实验厅、1个中部实验厅、1个液闪灌装厅以及连接各实验厅的隧道及洞外配套工程。工程选址位于大亚湾核电站后方的排牙山山体中的地下空间,距排牙山山体表面深100米至300米不等。

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  中微子探测器模型。

  大亚湾合作组共有中、美等7个国家和地区的近300位科学家参与其中,参与单位多达 38 个。在大亚湾核电基地的六个反应堆附近建造了八个测器,并放置在三个地下水池中。中科院作为该项目的牵头方和主导方,中国科学院高能物理研究所的科学家多达80 人,位于长岛的美国布鲁克海文国立实验室有23位科学家参与。

  中微子在自然界中是极难捕获的,美国科学家雷蒙德·戴维斯因为观测中微子的开创性工作而获得2002年诺贝尔物理学奖,诺奖委员会这么形容他的工作:“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找某一粒特定的沙子。”

  中广核研究院副总经理孙吉良介绍,尽管中微子在自然界极难捕捉到,但大亚湾核电基地有6台百万千瓦的核电机组,为实验提供了较为丰富的中微子源,因为反应堆本身是核的裂变反应,里面会伴有大量的弱相互作用力的产生,即反应堆的实验会伴有大量的中微子产生;此外大亚湾核电基地紧邻高山,可以屏蔽宇宙射线的干扰。我国的大亚湾中微子厂址地理条件得天独厚,经国内外专家反复比较论证,这是世界上进行这一测量的最佳地点,预期可以达到0.01的测量精度,取得重要的原始创新成果。

  大亚湾开启了未来中微子物理大门

  中微子之所以被称为“幽灵粒子”,因为它个头小,不带电,质量能量极其微小,但它可自由穿过地球,几乎不与任何物质发生作用,号称宇宙间的“隐身人”。中微子共有三种类型,即电子中微子、μ中微子和τ中微子,在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中,占了四分之一,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质,即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式自60年代起即有迹象,当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡,随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。第三种振荡则一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在(即其振荡几率为零)。

  2012年3月,科学家在实验基地最早建造的六个探测器采集到的217天的数据和全部八个探测器开始运行后获取的404天的数据中,发现了第三种中微子振荡模式,并测量到其振荡几率,得到世界上最精确的中微子混合角θ13和质量平方差测量结果。这一中国诞生的重大物理成果,开启了未来中微子物理发展的大门,在全球科学界引起热烈反响,入选美国权威学术杂志《科学》评选的2012年十大科学突破,被称为“诺贝尔奖级别”的重大发现。

  向世界级科学高峰发起冲击

  很多人都有这样一个疑问,像幽灵一样的中微子如此难以捕捉,我们研究中微子的意义在哪里?

  孙吉良向记者介绍,中微子震荡矩阵中含有宇称破缺项,这或许是人类探索宇宙中正反物质不对称的起源的突破口,也是人类研究标准模型外新物理的一个重要研究方向。

  长期以来,太阳中微子失踪之谜和宇宙中微子反常现象,一直困扰着物理学家们。1968年,美国物理学家雷蒙德·戴维斯等人在美国南达科他州的地下金矿中建造了一个大型中微子探测器,并在实验中第一次观测到和中微子振荡有关的现象。1982年,日本科学家小柴昌俊在一个深达1000米的废弃砷矿中领导建造了神冈探测器。1998年,超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据,表明三种中微子是可以互相转换的,为解决太阳中微子问题指明了道路。美国的戴维斯和日本的小柴昌俊因此同时获得了2002年诺贝尔物理学奖。

  日本科学家梶田隆章,加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳再次因“中微子”获奖,他们发现了中微子震荡,从而证实了中微子有质量。这使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之谜和大气中微子反常现象得到了合理的解释。“中微子”的魅力在全球物理学界不断延续。

  截至目前,诺贝尔物理学奖四度青睐中微子,因为对人类来说,中微子是个谜。获我国自然科学奖一等奖被“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”是我国基础物理研究领域最具开创性领域之一,甚至被国外同行誉为“诺贝尔物理学奖有力竞争者”,不管这些是中肯评价也好,良好祝愿也罢,甚至是溢美之词也无所谓,位于大亚湾的这个深不见底的人工隧道,将是我国科学家向世界级科学高峰发起冲击的阵地。

  图解中微子

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