中国踏上探寻反物质关键征程
2011年08月16日
两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器被成功安装在巨型水池中。科研人员正在进行实验前的系统调试。
8月15日，在广东大亚湾反应堆中微子实验大厅，两台重达110吨的巨型中微子探测器正式捕捉到来自核电站反应堆群中的中微子。
在中科院、科技部、基金委、美国能源部等单位的支持下，这个历时4年建成的大科学工程满载着科学家的希望，踏上探寻反物质丢失之谜的关键征程。
“反物质消失之谜”有望揭开
中微子，是组成自然界的最基本粒子之一。世界上目前一共发现了三种中微子（电子中微子、μ中微子以及τ中微子）。而科学家研究发现，太阳中微子（电子中微子）和大气中微子中的μ中微子在传输过程中，观测值往往是理论值的三分之一到一半左右。这种“失踪”现象实际上是一种中微子转换成了无法探测到的另一种中微子，这被称为“味振荡”。
目前，决定振荡过程的振荡参数矩阵的六个参数中有四个已经得到。而大亚湾反应堆中微子实验项目，则把目光瞄准了第五个重要参数——？兹13混合角。
有科学家评价，这项实验有望揭开“反物质消失之谜”。
根据“大爆炸”理论，宇宙在诞生之时，物质与反物质应该是同时产生的。但在过去的近百年里，人类在可观测到的150亿光年宇宙范围内，一直没有发现自然界中有反物质存在的迹象。可能的答案只有两种——反物质已经彻底不存在了，或者它仍在别处。而中微子振荡参数矩阵中的最后一个参数——CP相位角或许将最终揭开谜底。
“如果CP相位角是零的话，那就意味着物质与反物质的衰变速度是一样的，即现在物质和反物质还应该是一样多，反物质必然隐藏在我们尚未找到的某个地方。”大亚湾反应堆中微子实验项目工程副经理、中科院高能所研究员曹俊表示，“如果不为零，反物质很可能已经衰变掉了，我们再也没有可能找到‘反物质世界’了。”
“然而，要完成这一步，？兹13数值的测量将是不可跨越的一步。只有在对？兹13完成测量之后，科学家才能真正明白怎样去测量CP相位角。”大亚湾实验合作组发言人、中国科学院高能物理研究所常务副所长王贻芳表示。
“？兹13混合角所代表的是电子中微子和τ中微子之间转换的性质和几率。”
曹俊进一步解释，“如果？兹13混合角数值大于0.01，那么我们揭开‘反物质丢失之谜’仅剩最后一个参数。如果这一数值小于0.01，那么最后一个参数将难以测量。”
我国主导 美国力挺
“这一实验项目最终将中微子振荡幅度测量至1%的精度以内，这远比正在进行中的其他实验精确得多。”美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的大亚湾合作组发言人Kam-Biu Luk表示。
“大亚湾核电站提供了绝佳场所。这一实验项目紧邻世界上第二大核反应堆群，反应堆功率越高，探测的中微子就越多，测量的数值就越精确。”曹俊介绍。
据了解，探测？兹13需要近距离观测能量比较低的中微子。虽然太阳中微子的能量小，但距离太远；大气中微子能量高，但通量（单位时间内通过单位面积的粒子总数）也不够。受中微子振幅极大值的限制，在距离反应堆2公里左右的地方放置探测器是较好的选择。
大亚湾中微子实验通过8个完全相同的探测器来获取数据，探测器放置在附近三个地下实验大厅中。距大亚湾反应堆360米的一号实验大厅最早开始投入运行，距岭澳反应堆约500米的二号大厅今年秋天将开始运行，最远的三号大厅离核反应堆群约两公里，也会在2012年的夏天开始取数工作。
这一实验的中方经费由科技部、中国科学院、自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团共同支持，这不仅开创了国家、地方与企业共同支持基础科学研究的先河，还开创了我国在国际合作大型科学实验中进行主导的先河。
王贻芳介绍，“由于中微子实验科学意义重大，国际上曾先后提出了8个实验方案，但由于各种原因取消了5个。而由我国科学家提出的大亚湾实验方案具有独特的地理优势和独到的设计，得到了国际上的广泛支持”。
自2006年起，大亚湾中微子实验工程筹建时，就吸引了来自6个国家和地区的39个研究机构，250名研究人员参与。
由于中方的设计方案绝佳，美国能源部最终放弃了本国的两个实验方案，转而支持美国科学家加入大亚湾实验的合作。“这代表了美国政府在这一实验上的观点。”王贻芳表示，“这使该实验成为中美在基础研究领域规模最大的合作之一，也是美国能源部在国外投资的第二大粒子物理实验项目，仅次于欧洲的大型强子对撞机（LHC）。”
多项中科院创新成果助力
记者在试验大厅看到：每个中微子探测器为直径5米，高5米的圆柱形。有科学家告诉记者：“当捕捉到中微子时，探测器内的液体闪烁体将发出微弱的闪光。安装在探测器的内表面的高灵敏度的光电倍增管，放大并记录这些闪光。进而即可进行精确测量。”
曹俊介绍，探测器中灌注的“掺钆液体闪烁体”正是中科院在该项目中的一大创新。“液体闪烁体是一种有机物，而钆却是一种无机物，两者很难相溶。其透明度也决定了实验的成功与否。”
此前法国的一项同类研究中，正是因为其探测器中灌注的液体闪烁体在运行100天后变为浑浊，从而被迫终止。
中科院高能所的研究人员基于多年积累的稀土化学与放射化学的经验与学术积累，发明了新的化学配方与化学制造程式，在小规模试验和4吨放大试验的基础上，成功完成了180吨的批量生产。
曹俊表示：“实验要求液体的性质必须完全一样，因此，‘掺钆液体闪烁体’必须经受大规模生产的考验。目前探测器中使用的‘掺钆液体闪烁体’是2010年一次性生产并灌注进去的，2007年小规模试验和2009年4吨放大试验生产的‘掺钆液体闪烁体’，到目前一直没有任何问题。”大亚湾中微子实验科研人员透露：“目前韩国中微子实验也是使用我们的配方。”
在该项目中，中科院参与工程设计的科研人员的创新还有很多。如：多模块设计、水屏蔽设计、反射板设计……采用了很多以前未接触的材料和工艺，解决了大量技术难题。
中科院院长白春礼也在该大科学工程开工建设时指出，大亚湾中微子实验项目对于加强基础研究领域的国际合作、提高我国在该领域的原始性创新能力都具有十分重要的意义。
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