中國自然科學最高獎，為何頒給大亞灣實驗？

　　2017-01-10 13:49:27　來源: 澎湃新聞網(上海)

　　（原標題：中國自然科學最高獎，為何頒給捕捉神秘中微子的大亞灣實驗？）

　　

　　大亞灣中微子實驗布局圖。文內圖均來自中國科學院高能物理研究所官網

　　17年來9度空缺后，1月9日，2016年度國家自然科學獎一等獎頒給了「大亞灣反應堆中微子實驗發現的中微子振蕩新模式」。自然科學獎作為國家科學技術獎五項獎項之一，為中國自然科學領域的最高獎，這是繼2013年鐵基高溫超導和2015年多光子糾纏相繼獲得國家自然科學一等獎之後，又一物理學領域的重大成果問鼎該獎項。

　　什麼是中微子？為何振蕩？2015年，中微子振蕩曾因獲諾獎名聲大噪。日本科學家梶田隆章和加拿大科學家阿瑟·麥克唐納因發現中微子振蕩方面所作的貢獻，共享當年的諾貝爾物理學獎。這種極難探測、被稱為「幽靈」的粒子，有助於科學家們進一步理解基本粒子的物理規律、進而解開反物質消失之謎。

　　中微子領域堪稱諾獎「富礦」。自1956年以來，相關研究已經斬獲四次諾貝爾獎。這顆屢獲諾獎的小小粒子，與中國也淵源頗深。早在上世紀40年代，著名核物理學家王淦昌著手研究中微子的探測問題，提出了測量中微子的質量與能量的實驗方法。如今，中國已站在了該領域研究的國際最前沿。大亞灣中微子實驗，被外界稱為當代中國對世界基礎物理研究做出的最大貢獻，是最有希望獲得諾貝爾物理學獎的中國科研成果。

　　

　　在潔凈間中組裝的中心探測器

　　

　　中微子探測器成功安裝在巨型水池之中

　　每一秒，幾萬億顆「幽靈粒子」穿越人體

　　中微子是一種不帶電、質量極其微小的基本粒子，和電子、夸克等都一樣，都是宇宙基本組成單元。中，描述的並不是它個頭的大小，指的是「電中性」。

　　中微子共有三種類型，即電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，在目前已知的構成物質世界的12種基本粒子中，佔了四分之一，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中同時扮演著極為重要的角色。太陽的核聚變、超新星的爆發、宇宙射線與地球大氣層的碰撞、核反應堆中放射性衰變元素的裂變，以至於地球上岩石等各種物質的衰變，都能產生中微子。

　　看似無處不在，但這種神秘的「幽靈粒子」卻讓想要捕獲它的科學家吃盡了苦頭。中微子質量微小，但穿透能力極強，與其他物質幾乎不產生相互作用。1MeV的電子頂多穿透2mm的鋁，而相同能量的中微子則可以輕鬆穿過整個地球。實際上，每一秒鐘都有幾萬億顆中微子穿透人體，卻無法感知。

　　研究者們之所以對中微子的種種謎團展露興奮，是因為中微子極有可能是打開標準模型之外物理新世界的那把鑰匙。在粒子物理世界中，一種叫做「標準模型」的理論模型描述了各個基本粒子及其之間的相互作用。標準模型所預測的W玻色子、Z玻色子、膠子、頂夸克及魅夸克，最終被實驗一一驗證。特別是獲得2013年諾貝爾獎物理學獎的「上帝粒子」希格斯玻色子（Higgs Boson），是補齊標準模型的最後一塊拼圖。

　　但中微子振蕩不一樣，它是目前唯一直接超出標準模型的實驗結果。

　　

　　192個8英寸光電倍增管安裝在緊貼鋼罐內壁的支架上，用於探測中微子俘獲時發出的光信號。

　　大亞灣實驗：發現中微子的第三種振蕩模式

　　1968年，美國物理學家雷蒙德·戴維斯首次發現，來自太陽的電子中微子數目比理論預言的要少。難道中微子在以光速飛行的過程中消失了？這令人難以置信。這一現象，被稱作「太陽中微子消失之謎」。

　　此後進行的多項實驗，證實了這一現象的存在。物理學家們發現，中微子有一個特殊的性質，即中微子三兄弟可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型，這種轉變可以循環往複，因而被稱為中微子振蕩。中微子振蕩表明，中微子有微小的質量，是目前唯一的超出粒子物理標準模型的新物理實驗證據。原則上，三種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，應該有三種模式，三種混合模式各有相對應的混合角θ12、θ23、θ13（讀作 theta-一二、二三和一三，而非十二、二十三和十三，所描述的是一到二、二到三和一到三的轉變）。

　　其中兩種模式自60年代起即有跡象，當時稱作「太陽中微子之謎」和「大氣中微子之謎」。1998年，日本的超級神岡實驗正式發現大氣中微子振蕩，2002年，太陽中微子振蕩也被多個實驗證實。這兩項成果被授予2015 年諾貝爾物理學獎。但第三種振蕩則一直未被發現，甚至有理論預言其根本不存在（即其振蕩幾率為零）。大亞灣實驗便是瞄準了遲遲未能找到的θ13。

　　2012年3月8日，大亞灣反應堆中微子實驗發言人、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳在北京宣布： 大亞灣實驗以5.2倍標準偏差的置信度（>99.9999%）測得中微子混合角θ13不為零，首次實驗發現了中微子的第三種振蕩模式。這一中國誕生的重大物理成果，開啟了未來中微子物理髮展的大門，在全球科學界引起熱烈反響。美國《科學》雜誌將其評為2012 年十大科學突破之一，並稱「如果大型強子對撞機的研究人員沒有發現標準模型之外的新粒子，那麼中微子物理可能是粒子物理的未來，大亞灣的實驗結果可能就是標誌著這一領域起飛的時刻」。

　　大亞灣實驗是一個中微子「消失」的實驗，位於廣東省深圳市大亞灣。之所以選擇大亞灣，除了臨近大亞灣和嶺澳核電站、是理想的中微子源外，還因為那裡的地形適合屏蔽其他粒子。大亞灣實驗項目於2007年10月動工，到2011年中期先後完成探測器的建造與安裝，並在8月開始近點取數，12月下旬開始遠近點同時運行。

　　大亞灣核電站一共有6 個核反應堆，而中微子實驗有3 個地下實驗室大廳，其中兩個靠近反應堆（分別為 470 米和 576 米），一個遠離反應堆，距離為 1648 米。該實驗延續了1956年費雷德里克·萊茵斯等人發現中微子實驗的血脈，同樣通過探測中微子和質子的反應來研究中微子。雖是基於相同的物理原理，實驗技術卻經過了半個世紀的進化。精度是大亞灣中微子實驗的關鍵詞，運用了能量分辨更好的液體閃爍體來捕捉中微子的信號，並在3個實驗廳建造了8個探測器，每台高5米、直徑5米、重110噸，安置於10米深的水池中。由於周圍緊鄰的核反應堆會產生海量的電子反中微子，近探測器探測到的中微子數目，與遠探測器探測到的中微子數目會有不同，這個不同可以用來測量反中微子 「消失」 率，從而計算出混合角 。

　　2015年9月11日，繼發現轟動世界科學界的中微子新的震蕩模式后，大亞灣中微子實驗項目又在《物理評論快報》發表了中微子測量的最新結果，將中微子混合角θ13和中微子質量平方差的測量精度都提高了近一倍，為世界最高精度。

　　大亞灣實驗合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國台灣的38個研究機構、約270名研究人員組成。其中約150人來自境內單位的16個高校和研究所。

　　「因在中微子振蕩上的基礎性發現與探索，揭示了超越甚至遠遠超越粒子物理標準模型的新前沿」，大亞灣實驗合作組及其負責人與另外4個實驗組分享了2016年度基礎物理學突破獎。

　　這是一場國際賽跑。2003年以來，有7個國家先後提出了8個實驗方案利用反應堆實驗測量θ13，最終投入建造的有3個，包括中國大亞灣實驗、法國Double Chooz實驗、和韓國RENO實驗。

　　「韓國科學家的結果只比我們晚了25天。」王貽芳說。截至目前，大亞灣實驗首次報道測量θ13的文章被引用上千次，成為高能物理研究的經典文獻之一。

　　但中微子的關鍵未解之謎還有很多。比如，中微子的絕對質量是多少？惰性中微子存在嗎？中微子究竟是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子？除了大亞灣中微子實驗繼續提高精度外，王貽芳正在主持的中國第二個大型中微子實驗項目——江門中微子實驗已經開建，預計在2020年進行取數工作。

　　「江門中微子實驗將致力於測量中微子的質量順序，並進一步精確測量中微子混合參數，其土建工程規模約是大亞灣反應堆中微子實驗項目的3至5倍。」 王貽芳稱。由於有了大亞灣中微子實驗的鋪墊，江門中微子實驗的審批難度低了一些，但技術挑戰卻並未減少。

　　「精度越高，能發現的內容就越多，或許就差那麼一點點，我們就會錯失認識世界的機會。」中科院高能物理研究所曹俊研究員說。