中微子——基本粒子中最詭秘的一位，落入了中國(guó)人的陷阱,，并招供出它的變身秘密,。深圳大亞灣核反應(yīng)堆群的360米外,，百米高的花崗巖山體腹中，藏著中國(guó)迄今最成功的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置——大亞灣中微子裝置,。它在2012年3月8日宣布成功發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩模式,，引起世界矚目；《科學(xué)》雜志網(wǎng)站說(shuō),，大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置“可以說(shuō)是中國(guó)有史以來(lái)最重要的物理學(xué)成果”,。
大亞灣發(fā)現(xiàn)中微子第三種變化
中微子來(lái)自核反應(yīng)堆、太陽(yáng),、超新星,、地球內(nèi)核等處，攜帶著暗物質(zhì)和天體的秘密,。它們是基本粒子中的“隱士”,，質(zhì)量小，不帶電,，幾乎不與任何粒子反應(yīng),。只有大亞灣裝置這樣包含海量粒子的探測(cè)器,，才能僥幸攔下來(lái)幾個(gè)中微子,。
中微子分三種：電子中微子、μ中微子和τ中微子,。它們可以“振蕩”——一種類型變成另一種,。3種振蕩的量化描述是θ12、θ23和θ13,。前兩種已在大氣中微子和太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)中找到,。
大亞灣實(shí)驗(yàn)是對(duì)第三種振蕩模式的測(cè)量。這種振蕩中,，主要由電子中微子組成的“大隊(duì)人馬”,，在行軍路上變成了主要由τ中微子組成的團(tuán)隊(duì)。θ13數(shù)值的大小決定了未來(lái)中微子物理研究的設(shè)計(jì)方向,。
由于科學(xué)意義重大,，國(guó)際上曾先后提出了8個(gè)相似的中微子實(shí)驗(yàn)方案,。中科院高能物理所提出的大亞灣實(shí)驗(yàn)方案因具有地理優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)獨(dú)特,，取得了國(guó)際上的關(guān)注,。美國(guó)能源部就放棄了支持本國(guó)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，轉(zhuǎn)而支持美國(guó)科學(xué)家加入大亞灣實(shí)驗(yàn)的合作,。
大亞灣的科學(xué)家本來(lái)預(yù)計(jì),，實(shí)現(xiàn)測(cè)量θ13到1％精度的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，大約需要兩年,。但開始取數(shù)后3個(gè)月,，2012年3月，他們就宣告勝利,。大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置的成功是把θ13算得很準(zhǔn)——8.8度,，誤差為正負(fù)0.8度。
精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
從陽(yáng)光燦爛的海濱,，到鉆入黑暗的山洞,。全長(zhǎng)3000多米大亞灣排牙山隧道，3個(gè)相連的像電影廳一樣大小的地下實(shí)驗(yàn)室中,，分布著8個(gè)中微子探測(cè)器,。每個(gè)探測(cè)器是直徑5米、高5米的圓柱,，有著不銹鋼的外殼,，內(nèi)裝透明的“液閃”（液體閃爍體）。它們被放在水池中,。
無(wú)論是水,，還是“液閃”的主要成分烷基苯，質(zhì)子密度都很高,。附近的核反應(yīng)堆,，每天產(chǎn)生10的26次方個(gè)反中微子，它們穿過(guò)水和烷基苯時(shí),，極少數(shù)（每天1000個(gè)）會(huì)迎面撞上質(zhì)子,，產(chǎn)生光子和中子；中子再跟液閃反應(yīng),，放出光子,。液閃中的釓會(huì)加速這個(gè)過(guò)程。微弱的光,，被探測(cè)器內(nèi)的光電倍增管放大,，得以記錄下來(lái)。中微子能量越高,，反應(yīng)射出的光就越強(qiáng),，但不是成比例的,，需要科學(xué)家從光的強(qiáng)度算出中微子的能量。
如果距離反應(yīng)堆較近處和較遠(yuǎn)處的探測(cè)到的中微子能量差別明顯,，就說(shuō)明中微子在從近到遠(yuǎn)的1000多米“變身”了,。
大亞灣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每隔十幾分鐘都會(huì)由計(jì)算機(jī)壓縮后傳送到中科院計(jì)算中心和美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算中心，每天的數(shù)據(jù)量是300GB左右,。實(shí)驗(yàn)無(wú)法避免干擾：實(shí)驗(yàn)設(shè)備的異常高壓,、核反應(yīng)堆異常、宇宙射線等等,。每天有360個(gè)中微子相關(guān)的閃爍,，但卻有25萬(wàn)個(gè)宇宙射線造成的閃爍。數(shù)據(jù)必須篩選后提交,。
中國(guó)制造是保障
中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳說(shuō),，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不是建造一個(gè)大的整體探測(cè)器以提高精度，而是做成幾個(gè)小的,、模塊化的探測(cè)器,，這是中國(guó)人的首創(chuàng)。它不僅便于實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器的遠(yuǎn)近點(diǎn)交換,，而且也減小了探測(cè)器的體積,，可使隧道截面不至于過(guò)大，便于安裝,。
“高能所提出了獨(dú)到的實(shí)驗(yàn)方案,，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)和精度國(guó)際最高?！蓖踬O芳說(shuō),，同一實(shí)驗(yàn)廳放置2—4個(gè)全同探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比測(cè)量的方案，中方曾與美國(guó)合作者發(fā)生過(guò)激烈爭(zhēng)論,，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后來(lái)證實(shí)了中國(guó)方案的有效,。
在液閃中摻雜稀土元素釓這一國(guó)際難題，也是中國(guó)人解決的,。在研制液閃的過(guò)程中,，中國(guó)人與美國(guó)人都有各自的配方，并且都認(rèn)為自己的最好,。爭(zhēng)執(zhí)中，雙方只得找第三方測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果是,，中國(guó)人的液閃質(zhì)量更高，能讓液閃長(zhǎng)期保持澄清,。
工程建造的中心探測(cè)器的鋼罐,，直徑5米,、高5米，其壁厚僅1厘米,，變形還要控制在1毫米之內(nèi),。制造廠商說(shuō)，為了這個(gè)獨(dú)一無(wú)二的鋼罐,，他們進(jìn)行了80多次焊接試驗(yàn),，制造這樣一個(gè)20噸的鋼罐用時(shí)一年多。
當(dāng)裝配大廳的水泥地面建設(shè)完工后,，來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家,，趴在地上一寸一寸用硬木敲擊，側(cè)耳傾聽(tīng),，保證地面沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)空隙,，以確保設(shè)備的安裝質(zhì)量。他們發(fā)現(xiàn)中國(guó)人的施工質(zhì)量無(wú)可挑剔,。
優(yōu)質(zhì)工程讓大亞灣在國(guó)際科學(xué)競(jìng)賽中率先撞線,。
第二代實(shí)驗(yàn)裝置也在廣東
2016年2月，大亞灣裝置傳出新消息,，科學(xué)家測(cè)得了迄今為止最精確的反應(yīng)堆中微子能譜,，并發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差。反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子比某些模型的預(yù)期值低6%,。這是理論的缺陷,，還是惰性中微子振蕩引起的呢？離大亞灣200公里外的廣東江門正在建造的下一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置可能回答這個(gè)問(wèn)題,。由中,、法、德,、意,、俄、美等國(guó)的200多位科學(xué)家組成的江門地下中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）國(guó)際合作組已經(jīng)成立,，王貽芳任合作組發(fā)言人,。
JUNO實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)在開平市打石山700米的人工洞穴里。目前正在初步施工,，預(yù)計(jì)2019年底建成運(yùn)行,。JUNO實(shí)驗(yàn)的規(guī)模將比大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)大100多倍，計(jì)劃運(yùn)行至少20年,，10億元級(jí)別的投資,，使其成為中國(guó)最龐大的高能物理裝置。
JUNO的眼力將比大亞灣裝置更敏銳,。能譜好比中微子的手相,，JUNO能瞄出平滑的掌紋上細(xì)小的皺褶,，從而說(shuō)出中微子的本質(zhì)。
“中微子是什么粒子,？我們并沒(méi)搞清楚,。因?yàn)樗畈缓脺y(cè)?！敝形⒆涌茖W(xué)家,、中科院高能物理所研究員曹俊說(shuō)，目前的粒子標(biāo)準(zhǔn)理論模型中,，賦予大家質(zhì)量的是希格斯粒子,，但中微子質(zhì)量較之低了15個(gè)量級(jí)，“很不自然”,。為了解釋中微子為何如此輕,，理論學(xué)者都傾向于相信一種蹺蹺板機(jī)制，認(rèn)為有一種重的中微子還沒(méi)有發(fā)現(xiàn),，叫惰性中微子,，它也可能是暗物質(zhì)的組成部分。JUNO以它極高的偵測(cè)精度,，將幫助科學(xué)家理解中微子的本質(zhì),。
另外，曹俊說(shuō),，JUNO裝置也可探測(cè)超新星中微子和地球內(nèi)核中微子,，開啟中國(guó)在這兩方面的研究。