大亚湾实验

北京时间2012年3月8日14时，大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡概率。介绍该结果的论文已于3月7日送交美国《物理评论快报》发表，其预印本也已在网上发表。8日16时，王贻芳在高能所作学术报告，并通过网络直播，向全世界的粒子物理学家报告了他们的研究结果。

这一重要发现揭开了中微子研究的灿烂一页。为什么中微子探测器要安装在大亚湾呢？什么是新的中微子振荡呢？这一发现具有什么科学意义呢？

为什么要选择大亚湾建立实验室？大亚湾中微子实验位于深圳市区以东约50千米的大亚湾核电站群附近的山洞内地理位置优越，紧邻世界上最大的核反应堆群之一的大亚湾核电站和岭澳核电站，并且紧邻高山，有天然的宇宙线屏蔽，可以通过8个同样的探测器来获取数据。探测器放置在附近山底下的3个地下实验大厅中，探测器放置在水池中，以屏蔽周围岩石层的放射性。尽管有这些屏蔽，一些高能量的宇宙线依然可以穿山而入。这时，装在水池墙上的光电倍增管和水池顶上的μ子探测器会记录下这些宇宙线的轨迹并将其排除出中微子数据。因此非常适合对第三种中微子振荡参数θ13进行精确测量。大亚湾中微子振荡的测量成功使θ13的测量精度提高了一个数量级。

正如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陆锦标说：“从大亚湾获取的第一批数据使我们可以开始测量这个未知混合角，并最终将振荡幅度测量至1%的精度以内。这个精度比现在的测量结果高出一个数量级，而且远比正在进行的其他实验精确得多。实验结果将对解释中微子在宇宙大爆炸后最早的一段时期内基本物质的演化，以及阐明为什么今天宇宙中物质比反物质更多做出重大贡献。”

中国科学院高能物理研究所的科研人员于2003年提出了实验和探测器设计的总体方案，2006年获得批准立项，2007年10月破土动工。整个实验计划建设总长3千米的隧道和3个地下实验大厅，其中两个近厅各放置两个中微子探测器，远厅放置4个探测器，共8个相同的中微子探测器。每个探测器5米高，5米直径，重110吨，均置于10米深的水池中。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2011年秋天开始运行；最远的三号大厅，离核反应堆群约两千米，在2012年开始取数工作。

中国科学院数理学部主任、国家自然科学基金委员会副主任沈文庆院士表示：“大亚湾实验采用了一系列创新性的设计思想，其设计指标和精度国际最高，设计方案和研制工艺先进，在探测器模块化、可移动、采用反射板、掺钆液体闪烁体等多项设计与技术方面具有独创性，达到和超过了世界先进水平。”

中微子探测器安装在巨型水池中

用反应堆中微子测量013科学意义重大，国际上在2003年左右先后有7个国家提出了8个实验方案，最终进入建设阶段的共有3个，包括中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。在激烈的国际竞争中，大亚湾实验采取了多种措施，克服了重重困难，终于在2010年12月完成核电站附近的全部爆破任务，2011年中逐步完成了探测器的建造与安装，2011年8月开始近点取数，12月24日开始远近点同时运行。

为抢在竞争对手之前获得物理结果，科研人员将实验分为两个阶段，这次报告的结果就来自第一阶段的数据，自2011年12月24日起至2012年2月17日结束，只用了6个中微子探测器，其中2个在大亚湾近厅，1个在岭澳近厅，3个在远厅。经过夜以继日的努力，科研人员完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明，sin22θ13为9.2%，误差为1.7%，以超过5倍的标准偏差确定sin22θ13不为零，首次发现了这种新的中微子振荡模式。

大亚湾实验中心中微子探测器

我们已经知道，在地球1平方厘米表面上，也就是指甲盖大小，每秒就会落下约600亿个来自太阳的中微子。对于通常的物体、人、山甚至于星球，每秒都有无数中微子穿过，但不会发生作用。就是说，基本上是空的。

我们还知道，没有中微子，就不会有太阳内部的核聚变。就是说没有中微子，太阳就不会发光，就不会有比氢更复杂的原子，就没有碳、氧、水、空气，没有地球，没有人类，也没有宇宙。可以说，中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源和演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成的。

我们记得，为了解决太阳中微子迷失案：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，科学家发现三味中微子可以相互转换。这种“转换”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，这种转换被称为“味振荡”。在太阳中微子振荡中，我们测出了两个振荡参数，θ23与｜Δm232｜。在大气中微子中我们得到了另外两个振荡参数θ12与Δm22。1就是说，决定振荡过程的振荡参数矩阵6个参数中的4个都已得到。而此试验项目瞄准了第5个重要参数——θ13混合角。其数值大小决定了未来中微子物理研究的发展方向，并且与宇宙中“反物质消失之谜”有关。

大亚湾实验方案科学意义重大。由我国科学家提出的大亚湾实验方案得到了包括美国能源部的广泛支持，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第二大的粒子物理实验项目。

我们已知道，科学家认为正反物质在我们宇宙中分布不平衡，原因在子微观世界中CP破坏。CP破坏程度越大，正物质衰变率与反物质衰变率相差越大。在基本粒子物理学中，夸克部分首先观察到了CP破坏现象。长时间的研究表明，观察到的CP破坏不足以解释为什么现在还有这么多正物质存在，测量结果与宇宙中物质的实际结果差了100亿倍。进一步的研究表明，中微子振荡现象的发现为解开正反物质之谜带来了新的希望，其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。CP相位角不等于0，意味着正反物质衰变率有微小差别，使正物质多于反物质。更确切地说，要确定CP相位角，必须确定第5个参数——θ13数值的测量将是绕不过去的一个坎。如果θ13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。

大亚湾中微子实验的测量结果表明，sin22θ13为9.2%，误差为1.7%，以超过5倍的标准偏差确定sin22θ13不为零。由大亚湾实验发现反应堆发出的反电子中微子有消失现象，与中微子振荡理论预期吻合。结果确认，发现新的中微子振荡模式。

中国物理学会理事长、中国科学院副院长詹文龙院士评价说：“大亚湾实验的结果具有极为重要的科学意义。它不仅使我们更深入了解了中微子的基本特性，也使我们知道未来的中微子物理发展有一个光明的前景：我们可以较为容易地建造下一代中微子实验来寻找中微子振荡中的CP破坏，并搞清楚不同种类的中微子的质量顺序。大亚湾中微子项自是以我为主的国际合作，也是美国能源部基础研究领域对外投资第二大的国际合作（第一是与CERN的合作），希望大亚湾项目能进一步发展，成为下一代我国大型国际科学研究装置的候选项目之一。”

大亚湾中微子实验发现第三种中微子振荡，在中微子研究史上，是一个具有里程碑意义的重大发现。中微子具有静止质量，因此，不同味之间的中微子会发生振荡。太阳中微子问题使得戴维斯等人首先发现中微子振荡，而后，日本科学家小柴昌金发现了由宇宙射线或者超新星在大气中引起的中微子振荡。大亚湾发现了这种中微子振荡，应该是科学家早在预期中的最后一种中微子振荡。因此，这个发现的重要性无论怎样估计都不过分。当前，中微子研究的核心问题实际上就是中微子振荡问题。

大亚湾实验国际合作组组成

但是人们要问，会不会有新的中微子振荡模式呢？或者换言之，中微子会不会具有第四味或者更多的味呢？我们在前面的叙述中，采用了比较肯定的口气，说中微子只有三味。这有什么根据呢？