8月15日，在廣東大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗大廳，兩臺重達110噸的巨型中微子探測器正式捕捉到來自核電站反應(yīng)堆群中的中微子。
在中科院、科技部、基金委、美國能源部等單位的支持下，這個歷時4年建成的大科學(xué)工程滿載著科學(xué)家的希望，踏上探尋反物質(zhì)丟失之謎的關(guān)鍵征程。
“反物質(zhì)消失之謎”有望揭開
中微子，是組成自然界的基本粒子之一。世界上目前一共發(fā)現(xiàn)了三種中微子(電子中微子、μ中微子以及τ中微子)。而科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，太陽中微子(電子中微子)和大氣中微子中的μ中微子在傳輸過程中，觀測值往往是理論值的三分之一到一半左右。這種“失蹤”現(xiàn)象實際上是一種中微子轉(zhuǎn)換成了無法探測到的另一種中微子，這被稱為“味振蕩”。
目前，決定振蕩過程的振蕩參數(shù)矩陣的六個參數(shù)中有四個已經(jīng)得到。而大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗項目，則把目光瞄準(zhǔn)了第五個重要參數(shù)——?茲13混合角。
有科學(xué)家評價，這項實驗有望揭開“反物質(zhì)消失之謎”。
根據(jù)“大爆炸”理論，宇宙在誕生之時，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)該是同時產(chǎn)生的。但在過去的近百年里，人類在可觀測到的150億光年宇宙范圍內(nèi)，一直沒有發(fā)現(xiàn)自然界中有反物質(zhì)存在的跡象。可能的答案只有兩種——反物質(zhì)已經(jīng)徹底不存在了，或者它仍在別處。而中微子振蕩參數(shù)矩陣中的后一個參數(shù)——CP相位角或許將終揭開謎底。
“如果CP相位角是零的話，那就意味著物質(zhì)與反物質(zhì)的衰變速度是一樣的，即現(xiàn)在物質(zhì)和反物質(zhì)還應(yīng)該是一樣多，反物質(zhì)必然隱藏在我們尚未找到的某個地方。”大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗項目工程副經(jīng)理、中科院高能所研究員曹俊表示，“如果不為零，反物質(zhì)很可能已經(jīng)衰變掉了，我們再也沒有可能找到‘反物質(zhì)世界’了。”
“然而，要完成這一步，?茲13數(shù)值的測量將是不可跨越的一步。只有在對?茲13完成測量之后，科學(xué)家才能真正明白怎樣去測量CP相位角?！贝髞啚硨嶒灪献鹘M發(fā)言人、科學(xué)院高能物理研究所常務(wù)副所長王貽芳表示。
“?茲13混合角所代表的是電子中微子和τ中微子之間轉(zhuǎn)換的性質(zhì)和幾率?！?/p>
曹俊進一步解釋，“如果?茲13混合角數(shù)值大于0.01，那么我們揭開‘反物質(zhì)丟失之謎’僅剩后一個參數(shù)。如果這一數(shù)值小于0.01，那么后一個參數(shù)將難以測量?！?/p>
我國主導(dǎo) 美國力挺
“這一實驗項目終將中微子振蕩幅度測量至1%的精度以內(nèi)，這遠(yuǎn)比正在進行中的其他實驗**得多。”美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的大亞灣合作組發(fā)言人Kam-Biu Luk表示。
“大亞灣核電站提供了**場所。這一實驗項目緊鄰世界上**大核反應(yīng)堆群，反應(yīng)堆功率越高，探測的中微子就越多，測量的數(shù)值就越**。”曹俊介紹。
據(jù)了解，探測?茲13需要近距離觀測能量比較低的中微子。雖然太陽中微子的能量小，但距離太遠(yuǎn);大氣中微子能量高，但通量(單位時間內(nèi)通過單位面積的粒子總數(shù))也不夠。受中微子振幅極大值的限制，在距離反應(yīng)堆2公里左右的地方放置探測器是較好的選擇。
大亞灣中微子實驗通過8個完全相同的探測器來獲取數(shù)據(jù)，探測器放置在附近三個地下實驗大廳中。距大亞灣反應(yīng)堆360米的一號實驗大廳早開始投入運行，距嶺澳反應(yīng)堆約500米的二號大廳今年秋天將開始運行，遠(yuǎn)的三號大廳離核反應(yīng)堆群約兩公里，也會在2012年的夏天開始取數(shù)工作。
這一實驗的中方經(jīng)費由科技部、科學(xué)院、自然科學(xué)基金委、廣東省、深圳市和廣東核電集團共同支持，這不僅開創(chuàng)了國家、地方與企業(yè)共同支持基礎(chǔ)科學(xué)研究的先河，還開創(chuàng)了我國在國際合作大型科學(xué)實驗中進行主導(dǎo)的先河。
王貽芳介紹，“由于中微子實驗科學(xué)意義重大，國際上曾先后提出了8個實驗方案，但由于各種原因取消了5個。而由我國科學(xué)家提出的大亞灣實驗方案具有獨特的地理優(yōu)勢和獨到的設(shè)計，得到了國際上的廣泛支持”。
自2006年起，大亞灣中微子實驗工程籌建時，就吸引了來自6個國家和地區(qū)的39個研究機構(gòu)，250名研究人員參與。
由于中方的設(shè)計方案**，美國能源部終放棄了本國的兩個實驗方案，轉(zhuǎn)而支持美國科學(xué)家加入大亞灣實驗的合作?！斑@代表了美國政府在這一實驗上的觀點。”王貽芳表示，“這使該實驗成為中美在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域規(guī)模大的合作之一，也是美國能源部在國外投資的**大粒子物理實驗項目，僅次于歐洲的大型強子對撞機(LHC)。”
多項中科院**成果助力
記者在試驗大廳看到：每個中微子探測器為直徑5米，高5米的圓柱形。有科學(xué)家告訴記者：“當(dāng)捕捉到中微子時，探測器內(nèi)的液體閃爍體將發(fā)出微弱的閃光。安裝在探測器的內(nèi)表面的高靈敏度的光電倍增管，放大并記錄這些閃光。進而即可進行**測量?！?/p>
曹俊介紹，探測器中灌注的“摻釓液體閃爍體”正是中科院在該項目中的一大**?！耙后w閃爍體是一種有機物，而釓卻是一種無機物，兩者很難相溶。其透明度也決定了實驗的成功與否?！?/p>
此前法國的一項同類研究中，正是因為其探測器中灌注的液體閃爍體在運行100天后變?yōu)闇啙?，從而被迫終止。
中科院高能所的研究人員基于多年積累的稀土化學(xué)與放射化學(xué)的經(jīng)驗與學(xué)術(shù)積累，發(fā)明了新的化學(xué)配方與化學(xué)制造程式，在小規(guī)模試驗和4噸放大試驗的基礎(chǔ)上，成功完成了180噸的批量生產(chǎn)。
曹俊表示：“實驗要求液體的性質(zhì)必須完全一樣，因此，‘摻釓液體閃爍體’必須經(jīng)受大規(guī)模生產(chǎn)的考驗。目前探測器中使用的‘摻釓液體閃爍體’是2010年一次性生產(chǎn)并灌注進去的，2007年小規(guī)模試驗和2009年4噸放大試驗生產(chǎn)的‘摻釓液體閃爍體’，到目前一直沒有任何問題?！贝髞啚持形⒆訉嶒灴蒲腥藛T透露：“目前韓國中微子實驗也是使用我們的配方?！?/p>
在該項目中，中科院參與工程設(shè)計的科研人員的**還有很多。如：多模塊設(shè)計、水屏蔽設(shè)計、反射板設(shè)計……采用了很多以前未接觸的材料和工藝，解決了大量技術(shù)難題。
中科院院長白春禮也在該大科學(xué)工程開工建設(shè)時指出，大亞灣中微子實驗項目對于加強基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的國際合作、提高我國在該領(lǐng)域的原始性**能力都具有十分重要的意義。
