中微子实验：看神秘粒子如何“振荡&r

图① 大亚湾中微子实验的整体布局。

图② 110吨重的中微子探测器正在吊装入10米深的水池中。

图③ 中微子探测器成功安装在巨型水池之中。

（资料图片）

在2016年度国家科学技术奖励大会上，大亚湾反应堆中微子实验凭借其对我国粒子物理的巨大贡献荣获国家自然科学奖一等奖。此次实验的成功填补了我国在中微子这个基础物理研究领域的空白，提升了我国物理学家的国际影响力。首次尝试中微子振荡研究就取得如此骄人的成绩，这在国际上都是十分罕见的。那么，什么是中微子振荡？这次实验又是如何成功的？且听《经济日报》记者向您娓娓道来。

“幽灵”粒子 来去无踪

中微子共有三种，它们是与电子相对应的电中微子、与μ子相对应的μ中微子和与τ轻子相对应的τ中微子。同一个希格斯粒子,既要产生顶夸克那么大的质量,又要产生中微子那么小的质量,如此悬殊的差距让人很难相信。

中微子在飞行过程中，从一种类型转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种中微子相互转化时的振荡幅度，分别是θ12、θ23、θ13。

超级神冈实验正是发现了贯穿地球的大气中微子随不同飞行距离的存活几率而发现了中微子振荡。如果中微子可以振荡，那么太阳中微子在到达地球时便会成为三种类型中微子的混合，而戴维斯的实验仅仅对探测其中的电子中微子敏感，这也就解释了为什么他的实验只探测到理论预言数目的三分之一。

大亚湾实验的科学意义在于θ13值的确定，使科学界得以更深入了解中微子的基本特性，预示着中微子的全部奥秘有望在不远的将来被彻底解开。“基础研究的主要目的是为了认识世界，此次实验的成功标志着我们对自然界的发现又迈出了新的一步，这是我们对人类作出的贡献。”大亚湾中微子实验首席科学家、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说。

除此之外，大亚湾实验从高精度大型探测器加工到特殊材料，从化学化工到高速读出电子学，提升了我国在相关领域的技术水平，并培养出一批具有国际水准的青年科研人员，为我国基础物理研究的发展打下了坚实基础。

追求完美 抢占先机

2003年前后，来自不同国家的科学家们共提出8个可能测出θ13的实验方案，其中就包括大亚湾反应堆中微子实验方案。如何在与美国、日本、欧洲等经验丰富团队的激烈竞争中脱颖而出？

“取胜的第一点原因是，我们的实验设计精度比别人高。”王贻芳告诉记者，大亚湾实验的测量精度比过去的实验高出约一个数量级，在8个国际同类方案中精度是最高的。“我们要为世界提供一个最精确的振荡参数，要做就做到极致。”王贻芳说。

“其次，我们的方案设计有优势、有创新。”王贻芳说，大亚湾实验采用远近相对测量方法，在反应堆附近和距反应堆2000米左右的地方各放一个探测器。如此一来，便能够部分抵消探测效率、靶的有效体积、靶核数目和能量测量等与探测器相关的误差，提高实验灵敏度。

此外，大亚湾实验还创造性地在一个实验厅内放置多个相同的探测器，这是国际上唯一采用这种设计方法的中微子实验。多个全同探测器的测量便于比较，使实验误差又降低了“根号n倍”。

在实验厅位置的选择上，设计者们也花费一番心思。为了解决远近点探测器放置位置、宇宙射线产生本底、山体覆盖厚度等问题，科学家们将1:5000的数字化地形测量图予以转换，得到山体轮廓，在平面图上以50米为一格，比较了3个实验大厅移动到不同位置时测量θ13的灵敏度，定量地计算出不同因素对测量结果的影响，从而确定大亚湾实验的总体布局。

“如果要取得成功，所有的事情都得做对。”大亚湾实验拥有最大的反应堆功率、最合适的远点基线、最大的探测器质量以及最深的岩石覆盖。再加上科学家们力求卓越的设计理念、精益求精的研究态度，让实验在测量精度、灵活度以及可靠性上都达到了前所未有的高度，使得大亚湾实验成为“中国有史以来最重要的物理学成果”。