中微子振荡现象 基础物理突破大奖: 揭秘王贻芳与大亚湾中微子实验[好网角文章(3)

隧道与实验大厅建设

隧道与实验大厅由黄河勘探规划设计有限公司设计，中铁十五局集团施工。项目组克服了大量困难，至2010年12月安全完成了核岛附近的3000多次爆破，全部满足国家核安全局的震动要求，建设了全长3000米的地下隧道和5个地下实验厅。

实验的探测器系统

每个实验厅内都有一个巨大的长16米，高宽各10米的水池，存有约2000吨纯净水。中微子探测器模块被浸泡在水池正中，如下图所示。水池有两个作用，一是用作宇宙线探测器，宇宙线穿过水池时，会激发出切伦科夫光，通过水池四周放置的光电倍增管探测切伦科夫光，可以探测到宇宙射线，从而将它对中微子探测的影响去除；二是用作屏蔽层，高能宇宙线在附近的岩石中会产生大量的次级粒子，岩石本身的天然放射性也会产生大量的伽马光子，水可以将这些粒子挡在中微子探测器外，以免对中微子探测造成影响。水池上方覆盖着4层大面积阻性板探测器（RPC）, 这也是一种宇宙线探测器。两种探测器结合，对宇宙线的探测效率可以达到99.5％以上。

探测系统示意图

大面积阻性板探测器（RPC）

中微子探测器探测中微子的中心探测器是直径5米、高5米的圆桶，里面装有液体闪烁体，总重100吨。其核心部分是液体闪烁体和光电倍增管。中微子在探测器内发生反应后能够激发液体闪烁体，产生微弱的闪烁光。光电倍增管探测到闪烁光，将它转换成电信号，这样我们就探测到了中微子。下图显示了中心探测器的机械结构。它由三层构成，中心为20吨的掺钆液体闪烁体，中间层为20吨普通液体闪烁体，最外层为40吨矿物油。三层之间用有机玻璃罐隔开。每个中心探测器在矿物油中装有192个8英寸光电倍增管安装。中心探测器顶上装有三个自动刻度装置，定时对探测器进行能量与时间的自动校准。

中心探测器

3号实验厅中，110吨重的中微子探测器正在吊装入10米深的水池中

发现新的中微子振荡

通过两个近点实验厅（EH1, EH2）内的探测器测量反应堆中微子流强，在远点实验厅EH3观测振荡效应。对实验数据进行分析，发现远点观测到的中微子数显著低于预期，表明中微子在飞|行过程中发生了振荡，由电子反中微子转变成了其它种类的中微子。图中纵坐标为1处的虚线表示无振荡的预期值，红实线表示当振荡参数sin22θ13=0.1时的预期值。

大亚湾反中微子探磁器内部

这是我国诞生的一项重大物理成果，在国际高能物理界引起热烈反响，被评价为“开启了未来中微子物理发展的大门”，并入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破。精确测量是科学发现和突破的基础。大亚湾实验测量到θ13，将为今后中微子物理、天体物理、字宙学等前沿科学研究提供精确的初值输入，对基本粒子物理的大统一理论、寻找与鉴别新物理，甚至揭开“宇宙反物质消失之谜”具有重要意义。

中微子探测器成功安装在巨型水池之中

2012年10月19日，大亚湾反应堆中微子实验站的全部8个中微子探测器正式运行取数，标志着实验站的全面建成。实验站将持续运行3至5年，把中微子混合角sin22θ13的测量精度提高4倍，并开展反应堆中微子能谱测量等相关研究。

合作研究

大亚湾中微子实验项目得到了科技部、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的共同支持，同时也得到了美国能源部及其它境外机构的支持，是我国基础科学领域最大的国际合作项目，是协同创的典范。来自中国（包括香港、台湾地区）、美国、俄罗斯、捷克的38个科研机构的约250位科学家参加实验。其中100多位来自中科院高能所、清华大学、上海交通大学、山东大学、中国原子能研究院等中国大陆的科研机构，100多位来自美国、俄罗斯、捷克及中国香港、台湾地区的科研机构。