【中國科學報】中微子“振蕩”大亞灣之后……
                  時間 : 2019-05-27     

                  在大亞灣核電站附近幾百米的深山里,潛伏著世界上最好的中微子探測器。它本是用來確認中微子的第三種“變身”模式的,幾年前已經完成任務。如今,它在國家自然科學基金重大項目的支持下,穩健地邁向新的征程。 
                    “振蕩”世界的中微子 
                    中微子是個高深莫測的家伙,一直以來,它都在挑戰人類的認識能力。 
                    作為一種不帶電、質量極其微小的基本粒子,中微子數量十分龐大,每秒鐘約有幾萬億自由穿過人體,并以接近光速運動。由于其幾乎不與任何物質發生作用,因此也擁有了宇宙間“幽靈粒子”的稱號。 
                    不僅神出鬼沒,中微子還會“變身”——它可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型,即中微子振蕩。其擁有3種振蕩的量化描述,分別為θ12、θ23和θ13。前兩種已被科學家們通過大氣中微子和太陽中微子實驗測量到,唯有代表第三種振蕩模式的θ13,長期和全世界的物理學家捉迷藏。 
                    時間回溯到2012年3月8日,這是一個值得科技界銘記的日子。 
                    當天下午2點15分,由中國科學院高能物理研究所牽頭的大亞灣中微子實驗(以下簡稱大亞灣實驗)國際合作組在北京宣布,大亞灣實驗利用兩個近點實驗廳和一個遠點實驗廳內6個中微子探測器的數據,發現了一種新的中微子振蕩,并測量到其振蕩幾率。該實驗達到了前所未有的精度,測得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%,誤差為1.7%,無振蕩的可能性只有千萬分之一。 
                    “這是物理學上具有重要意義的一項重大成就。”諾貝爾物理學獎得主李政道曾如此評價大亞灣實驗。 
                    一時間,眾多榮譽紛至沓來。短暫的喜悅過后,中國科學院高能物理所研究員曹俊陷入了更深的思考。 
                    “中微子振蕩的信號不僅體現在中微子個數的減少上,也體現在所測中微子能譜的變形上。”曹俊告訴《中國科學報》,因為不同能量的中微子振蕩幾率不同,從而造成近點和遠點探測到的中微子的能量分布(能譜)不同。研究能譜的變形,可以測量尚未測得的振蕩頻率,也可以把振幅測得更準。 
                    然而,這項看上去直截了當的工作進展并不順利。“要測量中微子能譜,先要精確理解探測器對不同能量中微子的響應,而這是個非線性曲線。”曹俊說。 
                    曹俊介紹,工作的難點主要在于兩方面。“首先,我們通過大量研究發現,探測器的非線性來自電子學和液體閃爍體兩個因素,交錯在一起,現有數據不足以準確確定。其次,測得的中微子能譜與理論模型對不上。如果假定能譜是對的,則需要一個看上去很怪的非線性曲線。” 
                    而這兩個問題不僅影響大亞灣實驗后面的物理研究,也會嚴重影響我國下一代中微子實驗——江門中微子實驗。它采用2萬噸液體閃爍體,瞄準國際中微子研究的下一個重大問題即中微子質量順序,同時也將在精確測量振蕩參數、太陽中微子、地球中微子、質子衰變等方面取得國際領先。 
                    為了解決這些問題,2014年,國家自然科學基金委員會啟動了“大亞灣中微子實驗的物理分析與新探測器關鍵技術研究”重大項目。時隔5年,在項目結題驗收會上,曹俊報告了項目取得的主要進展和成果。“這些成果保持了我國在反應堆中微子實驗中領先的國際地位,進一步擴大了我國在中微子研究領域的國際影響。”曹俊評價說。 
                    五朵金花齊綻放 
                    據了解,通過大亞灣實驗,我國在反應堆中微子研究領域已取得了領先優勢。探測反應堆中微子主要采用液體閃爍體探測器,核心技術包括液體閃爍體、光電倍增管、精確的探測器響應研究等。建設中的江門中微子實驗將采用類似探測技術,但桌面儀器已達不到研發要求,技術挑戰更大。 
                    曹俊介紹,為此該重大項目在大亞灣實驗的數據和設施基礎上,將研究任務分成5個課題展開。 
                    課題一主要研究探測器的能量非線性模型。課題二與課題三分別針對質量平方差和反應堆中微子能譜進行物理分析,首次測量了反應堆中微子振蕩相關的質量平方差,逐步提高精度至2.8%,同時首次精確測量了反應堆中微子能譜,發現與理論模型不一致,在國際上激發了大量關于核數據的研究,開啟了新的研究熱點。 
                    課題四和課題五則專攻硬件核心技術。 
                    其中,課題四研制了一套液閃置換系統,將探測器內部20噸液體閃爍體置換出來,換成江門中微子實驗特殊純化后的液體閃爍體,并通過循環改變配方,進行了非線性、光產額、極低本底等一系列研究。 
                    曹俊透露,實驗中有一個很有意思的發現。“液體閃爍體的配方中有一種波長移位劑。以前國際上的實驗,有的對光產額要求不高,沒有添加;有的加100毫克/升,有的加20毫克/升,大亞灣實驗加了15毫克/升。通過在大亞灣進行的置換實驗,發現對大探測器只要加1毫克就夠了,多了不僅浪費,也會使性能下降。” 
                    為了研究電子學非線性,課題五研制了一套高速波形取樣電子學讀出系統,將電子學非線性從10%降到了0.5%,誤差0.2%。加上對液閃非線性的研究,探測器能量非線性達到0.5%的精度,而之前國際最好水平大于1%。這些技術成果不僅提高了大亞灣實驗的精度,也為江門中微子實驗打好了基礎。 
                    曹俊介紹,通過重大項目,一方面可以讓整個團隊集中精力做研究,另一方面,團隊中的一部分人也可以專心于核心技術,服務于科學目標,不用擔心論文產出。 
                    “大家有著共同的科學目標,既相互合作、取長補短,也相互競爭,這樣培養出的青年人才自然向國際水平看齊。”他說。 
                    在重大項目實施的5年間,大亞灣實驗發表全合作組署名、自然科學基金委標注的SCI物理論文共14篇,技術論文2篇,發表的3篇振蕩論文和3篇能譜論文均為本領域前1%的高引論文。共培養11名博士、22名碩士,5名講師升任副教授,2名副教授升任教授。不少博士與博士后獲得“瑪麗·居里獎學金”、中德博士后基金、趙忠堯博士后獎學金、粒子物理前沿卓越中心“拔尖青年人才”“優秀青年人才”稱號等殊榮。 
                    “通過對核心技術的持續研究,我們為江門中微子實驗做好了相關技術和人才儲備,力爭在國際上繼續擴大領先優勢。”曹俊說。 
                    強化合作交流 
                    回顧5年來的研發經歷,曹俊對合作交流感受頗深。“對于重大問題的研究離不開團隊的協作發展。” 
                    首先是充分的國際合作。據了解,本項目研究合作組由中國、美國、俄羅斯、捷克、智利等國科學家組成,其中國外合作者數量約占一半。 
                    其次是項目組內部課題成員的相互合作。“課題一采用了課題四和課題五的成果,得到探測器的整體能量非線性。同時課題一的物理分析人員幫助課題四、五的探測器和電子學研究人員設計實驗和設備、提出了指標,也參與了其數據分析。而課題二、三直接采用課題一的能量非線性研究成果,在物理分析中也共同參與。”曹俊說。 
                    此外,該項目研究合作組每年都會組織兩次大亞灣國際合作組會和江門國際合作組會。項目組成員每年均得到大量國際會議邀請,參加國際會議、報告成果近百次,得到十多次大會報告機會,其中包括“天體物理與深地物理國際大會”“弱相互作用大會”等頂級會議。 
                    曹俊介紹:“每次會議都由從事相關研究的專業人員參加研討和交流。這些會議不僅促進了項目內成員之間的合作,也促進了和項目外研究人員的交叉合作。” 
                    面向未來,曹俊介紹,大亞灣實驗將于2020年完成使命,新一代的江門中微子實驗將于2021年投入運行,幾項挑戰性的關鍵技術通過大亞灣實驗實施和該重大項目研究已得到了驗證。 
                    特別是發現的反應堆中微子能譜與理論模型不一致現象,成為了新的研究熱點。今年4月,國際原子能機構核數據中心召開專門會議,討論中微子實驗發現的核數據問題,對大亞灣實驗及計劃中的小型高精度實驗——臺山中微子實驗寄予厚望。  (原載于《中國科學報》 2019-05-27 第4版 自然科學基金)