中微子實驗有了新目標

大亞灣中微子實驗3號實驗廳，位於山腹之中，上面是360米的岩石層。

2020年12月12日，中科院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳在這裏的實驗控制屏前按下停止按鈕，並宣佈：“大亞灣反應堆中微子實驗（以下簡稱“大亞灣實驗”）圓滿完成科學任務，正式退役！”

從2011年12月24日大亞灣實驗三個實驗廳同時運行開始，至此，大亞灣實驗共運行了3275天。

首次發現中微子的第三種振盪模式

2012年，是大亞灣實驗備受關注的一年。

這一年3月，王貽芳領銜的大亞灣實驗團隊宣佈，歷時6年的大亞灣實驗取得了重大突破——首次發現了中微子的第三種振盪模式，並精確測量到其振盪概率。這項成果在國際高能物理界引起熱烈反響，被譽為“開啓了未來中微子物理發展的大門”。

同年底，該成果入選美國《科學》雜誌2012年度十大科學突破，此後，王貽芳和團隊獲得了累累殊榮，其中包括被稱為科學界“第一鉅獎”的基礎物理學突破獎。

構成物質世界的12種基本粒子中，中微子就佔了1/3，它在宇宙中廣泛存在。由於它幾乎不跟任何物質發生作用，不容易被捕捉到，因此也成為人類迄今為止瞭解最少的一種基本粒子。

“然而，瞭解中微子非常重要，對它的認識和研究將有助於揭開宇宙演變的諸多奧秘。”王貽芳説。

根據“大爆炸”理論，宇宙在誕生之時，物質與反物質應該是等量產生的。但在過去的近百年裏，人類在可觀測到的宇宙範圍內，一直沒有發現宇宙中有大量反物質存在的跡象。截至目前，科學家們認為，反物質已經消失了。那反物質到底去哪兒了？這是宇宙起源和演化中的一個重大謎團，而中微子振盪或許是解開這個謎團的鑰匙。

要解開這個謎團，中微子混合參數θ13數值的測量是必須跨越的一步。

王貽芳説：“中微子混合參數總共有6個，以前已經有3個半被測出了。只有對混合參數θ13完成測量之後，科學家才能進行下一步工作。”

2003年冬天，當時還是中國科學院高能物理研究所一名普通研究員的王貽芳注意到，利用反應堆中微子來測θ13已成為國際熱點，多個外國團隊正打算進行同類實驗。

“中國絕不能錯失這次機會，應該積極參與其中。”同年，王貽芳便提出實驗方案，利用我國大亞灣核反應堆羣產生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振盪，並和同事們設計出了實驗裝置。此後，經過多方奔走呼籲，2006年，大亞灣實驗項目獲准立項，成為當時我國基礎科學領域最大的國際合作項目。

要捕捉到來無影去無蹤的中微子，探測器要足夠大和足夠靈敏，同時還必須不被宇宙線影響。因此，世界各國的中微子探測器大多建在地下，用厚重的岩層來屏蔽宇宙中各種高能粒子的影響。大亞灣實驗也不例外，3個實驗大廳，均位於山腹內，由水平隧道相連，上面是厚達幾百米的岩石層。

由於絕佳的實驗設計方案，起初並不被國內外同行看好的王貽芳團隊，在大亞灣實驗建成運行後，僅用了55天時間，便發現了一種新的中微子振盪模式，並精確測量了混合參數θ13。

此後，大亞灣實驗基於持續累積的統計量和分析技術的改進，不斷更新θ13的測量結果，一直保持世界最高精度。

“在可以預見的未來，大亞灣實驗的測量精度也不會被其他實驗超越。”王貽芳篤定地説。

為何要在此時選擇退役

運行近十年，大亞灣實驗碩果累累。

2013年，完成了中微子能譜分析研究，進而首次直接測量了與反應堆中微子振盪相關的質量平方差。

2016年，精確測量了反應堆中微子能譜，發現與理論模型存在兩種偏差……

在外界看來，成果頻出的大亞灣實驗項目正當壯年。為何要在此時按下停止鍵？

對此，王貽芳的回答是：“以前設定的科學目標已經都實現了，繼續運行很大程度上是為了提高測量精度，但如果精度不能再進一步提高，繼續運行就沒有任何意義。”

大亞灣實驗的設計方案在2003年就提出了，距今已有17年。

“當年設計時，我們就是按當時可能實現的最高精度來設計的。今天如果讓我們再重新設計，仍然無法做到再提高精度，因為已經到極限了。”王貽芳説。

除了一系列重大科學發現外，大亞灣反應堆中微子實驗還為我國培養了一大批青年科研人才。中科院高能物理研究所研究員温良劍就是其中之一，12月12日這天，他也在儀式現場，和大家一起見證了大亞灣實驗的退役時刻。

當裝有探測器的水池蓋完全打開後，温良劍為觀看直播的觀眾講解了探測器捕獲中微子的過程。

“水池中的4個圓柱形鋼罐，就是探測中微子的中心探測器，每個直徑5米，高5米，裏面裝有液體閃爍體，重110噸。”温良劍説，“中微子在探測器內發生反應後能夠激發液體閃爍體，產生微弱的閃爍光。光電倍增管探測到閃爍光，將它轉換成電信號，這樣我們就探測到了中微子。”

這樣裝有探測器的水池，在大亞灣中微子實驗室總共有3個，打開其中之一的蓋子僅僅是完成了實驗裝置撤除的第一步。

中科院高能物理研究所研究員曹俊介紹：“在接下來的6個月中，我們將把純淨水放空，然後把每個中心探測器打開，一層層撤除裏面的部件。有些器件將會被其他實驗再利用，比如正在建設中的江門中微子實驗等，有些部件和材料則會進行無害化處理。”

此外，1號實驗廳將被改造成大亞灣中微子實驗的科普展館，繼續供大家參觀。

温良劍説：“實驗雖然停止運行了，但實驗數據物理分析還要做兩到三年左右，後續幾年還會有重要成果陸續出來。”

新實驗瞄準“中微子質量順序測量”

就在大亞灣實驗宣佈退役之際，同在廣東省的江門中微子實驗（以下簡稱江門實驗）正在如火如荼的建設當中。

在江門市西南部的打石山中，大亞灣實驗原團隊打算造一個全世界最大的液體閃爍體探測器來繼續捕捉中微子。這個探測器的主體是一個12層樓高的有機玻璃球，裏面盛裝2萬噸液體閃爍體。這是迄今為止中國最複雜的高能物理實驗裝置，預計2022年建成。

“與當前最好的國際同類設備相比，它的規模要大20倍，分辨率提高一倍。”王貽芳説。

大亞灣實驗結果公佈之後，中微子質量順序測量成為下一步的研究熱點，美國、日本、印度等國家逐漸明確了下一步的計劃。

這一方向，王貽芳團隊也早有謀劃。

“中微子質量順序測量的實驗能不能做，取決於一個前提，即中微子第三種振盪的幾率一定要夠大。”

後來，大亞灣實驗測到了中微子第三種振盪，振盪幾率大小為9.2%。這一結果遠遠超過他們的期待值。團隊科研人員心裏有底了：“後續的中微子實驗能做！”

最終，實驗選址廣東江門，距陽江和台山反應堆羣分別約53公里。

不少人認為，江門實驗只是大亞灣實驗簡單的“增大”版。

對此，王貽芳特別解釋和強調，兩個實驗雖然都是研究中微子，但具體科學目標完全不同。大亞灣實驗的科學目標是利用核反應堆產生的中微子來測定中微子第三種振盪模式，而江門實驗是要實現對中微子質量順序和中微子振盪參數的精確測量。

“中微子的質量是自然界的基本參數，影響宇宙的演化進程。知道了質量順序，可以為確定中微子質量和其他研究鋪路。”王貽芳説。

6個月後，大亞灣實驗將徹底完成拆除，結束使命，而新的江門實驗即將準備就緒。從大亞灣實驗到江門實驗，中國高能物理科學家們一直在向更高的精度挑戰。在他們看來，精度越高，能夠發現的東西就越多，對世界的認知就越深入。