看神秘粒子如何振荡世界.pdf

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1、经济日报/2017年/2月/3日/第011版新知大亚湾反应堆中微子实验获国家自然科学奖一等奖——看神秘粒子如何“振荡”世界本报记者佘惠敏李芃达在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

2、中微子常用符号ν表示，与带电轻子、夸克一同被称为构成物质世界最基本的粒子。人们叫它“闪电侠”——中微子质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动，具有极强的穿透力，可以轻松穿过地球直径那么厚的物质；人们叫它“独行侠”——中微子只参与非常微弱的弱相互作用，在亿万个中微子中只有个别会与物质发生反应，因此中微子的检测十分困难。它难以琢磨——中微子有大量谜团尚未解开，包括它的质量大小和起源、磁矩、CP破坏大小等等，却又无处不在——宇宙中充斥着大量的中微子，大约每立方厘米300个，大多数粒子物理和核物理过程中都伴随着中

3、微子的产生，例如核裂变、核聚变、贝塔衰变等。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。1998年的超级神冈实验和2001年SNO实验先后测出混合角θ12、θ23的大小，证实了中微子有质量，并因此获诺贝尔物理学奖。但第三种振荡混合角θ13却迟迟没有被发现，直到2012年大亚湾中微子实验首次公布了对θ13的精确测量结果。“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”诺贝尔物理学奖得主李政道如是评价大亚湾实验。

4、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

5、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，第1页共3页在反应堆附近和距反应堆2000米

6、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

7、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”。技术创新攻克难关液体闪烁体（下文简称液闪）是中微子实验使用的探测介质，钆是一种稀土元素，在液闪中掺钆可以放大关联信号，提高探测

8、精度。但如何在液闪中掺钆并保持其稳定性是大亚湾实验的重中之重，也是难以突破的瓶颈。大亚湾中微子实验项目副经理曹俊告诉记者，把无机物钆掺到由有机物组成的液闪中，由于不相溶，钆便会析出，导致液闪无法有效地探测。“将化学技术与核物理相结合，这种跨界研发确实比较困难。”曹俊说。高能所化学专家张智勇告诉曹俊可以将钆变成有机的钆络合物，从而提高其在有机液闪