繼廣東大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)完成并取得突破性進(jìn)展之后，由中國(guó)主持的第二個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)即將開(kāi)展。這一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目落戶于廣東省江門(mén)市。近日，江門(mén)地下中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組宣布成立，成員包括來(lái)自全世界50多個(gè)科研機(jī)構(gòu)和大學(xué)的200多位科學(xué)家。據(jù)了解，中科院高能物理研究所江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室將于今年底動(dòng)工建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)裝置將建在地下700米深處。

　　在粒子物理發(fā)展歷程中，中微子研究的每一次前進(jìn)都讓關(guān)注微觀世界的人們興奮不已。在普通人視野之外的微觀粒子世界，這個(gè)可以自由穿梭且?guī)缀醪慌c任何物質(zhì)發(fā)生作用的“幽靈粒子”得到了異常的關(guān)注。

　　2012年，中科院高能物理研究所領(lǐng)銜的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，被認(rèn)為是中國(guó)本土最重要的物理學(xué)成果。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的中微子混合角出人意料的大，為之后探索中微子的其他秘密鋪平了道路。

　　而即將在江門(mén)開(kāi)平建設(shè)的中微子實(shí)驗(yàn)室被高能物理研究所稱為“大亞灣二期實(shí)驗(yàn)”，它將劍指下一個(gè)國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)——中微子質(zhì)量測(cè)序，同時(shí)大大地?cái)U(kuò)展了研究范圍，為我國(guó)的中微子研究帶來(lái)騰飛的機(jī)遇。

　　江門(mén)中微子探測(cè)器將是世界上能量精度最高、最大的液體閃爍體探測(cè)器。當(dāng)捕捉到來(lái)自反應(yīng)堆的中微子時(shí)，液體閃爍體會(huì)發(fā)出非常微弱的閃光。光電倍增管可以看到最微弱的閃光，并把它轉(zhuǎn)為電信號(hào)，形成科學(xué)家們研究的數(shù)據(jù)。

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　　振蕩證明“幽靈粒子”有質(zhì)量

　　根據(jù)量子物理的法則，粒子之間的相互轉(zhuǎn)化只有在其具有靜止質(zhì)量的情況下才有可能發(fā)生。發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，證實(shí)了中微子其實(shí)是有質(zhì)量的

　　中微子是組成物質(zhì)世界的基本粒子之一，除引力之外，只參與弱相互作用，可在宇宙間自由穿梭，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用。正因?yàn)檫@些特性，1930年奧地利物理學(xué)家泡利提出中微子存在的假說(shuō)，在26年之后才被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。中微子也被稱為“幽靈粒子”。

　　中微子在宇宙中的個(gè)數(shù)極多，據(jù)目前的研究成果估算，約占所有物質(zhì)粒子的一半。但長(zhǎng)久以來(lái)，中微子的質(zhì)量都被忽視了：在粒子物理的權(quán)威理論——標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子的質(zhì)量被認(rèn)為是0。

　　1998年，日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子存在著振蕩現(xiàn)象。在此之前，科學(xué)家們確認(rèn)中微子有三種形態(tài)：電子中微子、μ（繆）中微子和τ（陶）中微子。而中微子的振蕩則是指中微子會(huì)在這三種形態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

　　在超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)中，日本科學(xué)家設(shè)計(jì)的裝置主要是用來(lái)探測(cè)宇宙射線與地面上空20公里處的大氣層中各種粒子發(fā)生碰撞產(chǎn)生的繆中微子。研究人員在535天的觀測(cè)中捕獲了256個(gè)從大氣層進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置的繆中微子，只有理論值的60%；其中在實(shí)驗(yàn)地背面的大氣層中產(chǎn)生、穿過(guò)地球來(lái)到觀測(cè)裝置的中微子有139個(gè)，只剩下理論值的一半。

　　這即意味著，隨著時(shí)間與空間的變化，一種被定向測(cè)量的中微子部分消失了，而根據(jù)中微子幾乎不與物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的特性，可以判斷這種消失的中微子有可能變換了容貌，從觀測(cè)者眼皮底下“溜走”了。

　　這便產(chǎn)生了“太陽(yáng)中微子消失之謎”以及“大氣中微子消失之謎”?？茖W(xué)家們推斷，這可能是因?yàn)榭蓹z測(cè)到的中微子在通過(guò)大氣和穿過(guò)地球時(shí)，一部分發(fā)生了振蕩現(xiàn)象，變成了檢測(cè)不到的陶中微子。

　　中微子的振蕩，像是幽靈投下的影子，“暴露”了中微子的質(zhì)量。根據(jù)量子物理的法則，粒子之間的相互轉(zhuǎn)化，只有在其具有靜止質(zhì)量的情況下才有可能發(fā)生?！鞍l(fā)現(xiàn)中微子振蕩，證實(shí)了其實(shí)中微子有質(zhì)量，只不過(guò)它非常非常小，現(xiàn)有技術(shù)還不能直接測(cè)出來(lái)?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T、大亞灣以及江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)主要負(fù)責(zé)人之一的曹俊說(shuō)。

　　既然有質(zhì)量，那么中微子的質(zhì)量到底是多少？

　　曹俊介紹，之前的中微子振蕩實(shí)驗(yàn)研究只能測(cè)出中微子的質(zhì)量平方差，不能給出絕對(duì)質(zhì)量?，F(xiàn)有的直接測(cè)量以及宇宙學(xué)測(cè)量則說(shuō)明中微子的質(zhì)量不足電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。這些研究結(jié)果還不足以求得中微子的質(zhì)量。

　　中微子絕對(duì)質(zhì)量的測(cè)量，要通過(guò)中微子非振蕩物理研究來(lái)得出結(jié)論。曹俊介紹，這種研究可以通過(guò)精確測(cè)量β衰變的電子能量端點(diǎn)，或者測(cè)量無(wú)中微子雙β衰變（假如存在這類衰變的話），或者通過(guò)宇宙學(xué)測(cè)量。這樣可以得到中微子質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)系式，結(jié)合上述已知的條件，就能解出三種中微子的質(zhì)量。不過(guò)，無(wú)論哪種情況，要算出中微子的質(zhì)量，都必須先知道中微子的質(zhì)量順序。

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　　三種中微子如何“排排坐”

　　中微子的質(zhì)量排序具有重要的科學(xué)意義。如果完成了質(zhì)量測(cè)序，并發(fā)現(xiàn)早期存在中微子的CP破壞，就可以合理解釋物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱

　　大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表后，中微子振蕩的三種模式已經(jīng)被全部發(fā)現(xiàn)，在接下來(lái)的中微子實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)量測(cè)序被提上議事日程。

　　根據(jù)中微子的來(lái)源，中微子可劃分為太陽(yáng)中微子、大氣中微子以及反應(yīng)堆中微子等?！疤?yáng)中微子是由太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變產(chǎn)生的，是電子中微子；大氣中微子是宇宙射線在大氣中與核碰撞產(chǎn)生的，其中約1/3是電子中微子，2/3是繆中微子，各有一半是正中微子，一半是反中微子；反應(yīng)堆中微子則是核衰變產(chǎn)生的電子反中微子?！辈芸〗榻B。

　　科學(xué)家們將電子中微子、繆中微子、陶中微子對(duì)應(yīng)的質(zhì)量態(tài)分別設(shè)定為m1、m2、m3。由中微子存在振蕩現(xiàn)象我們可以知道，中微子存在混合現(xiàn)象，即太陽(yáng)中微子、大氣中微子以及反應(yīng)堆中微子分別可以看成是不同比例的m1、m2、m3的混合態(tài)。

　　曹俊指出，由于能量較高的太陽(yáng)中微子振蕩主要發(fā)生在太陽(yáng)內(nèi)部，電子中微子可與太陽(yáng)內(nèi)的電子相互作用，產(chǎn)生物質(zhì)效應(yīng)，由此可以確定m2>m1。而大氣中微子振蕩則只能測(cè)得質(zhì)量平方差的絕對(duì)值，因此研究者不清楚三種中微子的質(zhì)量順序是正的（m3>m2>m1）還是反的（m2>m1>m3）。

　　高能物理研究所在江門(mén)開(kāi)平所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)便是為測(cè)量中微子的質(zhì)量順序而開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)裝置將建在地下700米深處。“這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)期2020年建成運(yùn)行，6年后可將質(zhì)量順序確定到4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差?！辈芸≌f(shuō)。

　　如果完成了中微子的質(zhì)量測(cè)序，引申出的研究中，最讓人著迷的便是中微子CP破壞的測(cè)量。

　　在標(biāo)準(zhǔn)模型中，正反物質(zhì)總是成對(duì)產(chǎn)生、成對(duì)湮滅，形成完整的物質(zhì)與能量的相互轉(zhuǎn)換。照此來(lái)說(shuō)，物質(zhì)和反物質(zhì)在宇宙大爆炸中被創(chuàng)造出來(lái)，數(shù)量應(yīng)該相同。接下來(lái)的一場(chǎng)相互作用的風(fēng)暴中，正反物質(zhì)本應(yīng)同歸于盡，只留下光子充斥整個(gè)宇宙。

　　但事情并不是這樣發(fā)生的。在已知的研究中，我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由反物質(zhì)組成的星球或者觀測(cè)到反物質(zhì)的大量存在，也就是說(shuō)物質(zhì)與反物質(zhì)的數(shù)量并不對(duì)稱。

　　這種不對(duì)稱得益于一種叫做電荷宇稱對(duì)稱性（CP）破壞的作用。一種形象的表述是：在你觀察一個(gè)粒子反應(yīng)的同時(shí)，另一個(gè)在鏡子中的人觀察由這個(gè)粒子的反粒子發(fā)生的同一種反應(yīng)，你們看到的反應(yīng)速率會(huì)稍有差別。

　　就是這個(gè)細(xì)微的反應(yīng)速率的差別，讓物質(zhì)在與反物質(zhì)相互抵消之前取得了數(shù)量上的領(lǐng)先，恒星、星系組成的物質(zhì)世界才能“幸存”。

　　雖然這種CP不對(duì)稱的現(xiàn)象在由夸克構(gòu)成的復(fù)合粒子中已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但觀察到的反應(yīng)速率差別不足以解釋為何大爆炸產(chǎn)生的反物質(zhì)蕩然無(wú)存。宇宙大爆炸以及反物質(zhì)消失之謎被證實(shí)的希望便落到了中微子的CP破壞上。早期如果存在中微子的CP破壞，就可以合理解釋物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱?！敖T(mén)中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)量質(zhì)量順序和精確測(cè)量混合參數(shù)，將對(duì)尋找中微子的CP破壞證據(jù)起到重要作用?！辈芸≌f(shuō)。

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　　揭開(kāi)更多世界謎團(tuán)

　　江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)或?qū)⒃诔滦侵形⒆印⑻?yáng)中微子、大氣中微子、地球中微子等領(lǐng)域做出國(guó)際領(lǐng)先的研究成果，由此吸引了各國(guó)科學(xué)家的參與

　　雖然江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)是為測(cè)量質(zhì)量順序而選，但吸引人的遠(yuǎn)不止于此。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)高性能、大質(zhì)量的探測(cè)器將具有非常豐富的物理目標(biāo)，將對(duì)當(dāng)前中微子研究領(lǐng)域的多個(gè)未知問(wèn)題進(jìn)行國(guó)際領(lǐng)先水平的研究。

　　曹俊介紹，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)研究反應(yīng)堆中微子振蕩，同時(shí)精確測(cè)量中微子的混合參數(shù)和2個(gè)中微子的質(zhì)量平方差參數(shù)，這種精度能達(dá)到小于1%的誤差。

　　精確測(cè)量混合參數(shù)將有助于尋找新物理的突破口。例如，如果像很多理論物理學(xué)家所希望的那樣，存在一種重的馬約拉納中微子，就有可能通過(guò)精確的混合參數(shù)看出來(lái)。

　　江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室還可以探測(cè)超新星中微子。超新星對(duì)宇宙學(xué)和天體演化具有極為重要的意義。事實(shí)上，組成我們身體的很多重元素只有超新星爆發(fā)才能合成出來(lái)。

　　到目前為止，人們總共探測(cè)到二十多個(gè)超新星中微子事例，來(lái)自于超新星1987A的爆發(fā)。超新星爆發(fā)時(shí)，99%的能量被中微子帶走，而且只有中微子才能從超新星內(nèi)部逃逸出來(lái)，其他的手段都無(wú)法看到超新星的內(nèi)部。

　　人類在上世紀(jì)60年代探測(cè)到太陽(yáng)中微子，最大的意義就是證實(shí)了太陽(yáng)的能源來(lái)自核聚變，該工作因此獲得了2002年諾貝爾獎(jiǎng)?！拔覀儸F(xiàn)在關(guān)于超新星爆發(fā)的過(guò)程都是基于理論計(jì)算和模擬，無(wú)法得到證實(shí)。假如探測(cè)到大量的超新星中微子，就能夠證實(shí)我們現(xiàn)在的推測(cè)是否正確，其意義不亞于當(dāng)初探測(cè)到太陽(yáng)中微子?！辈芸〗榻B，對(duì)一個(gè)類似1987A的超新星，江門(mén)中微子探測(cè)器將可以探測(cè)到5000個(gè)中微子。

　　江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室還將在地球中微子的探測(cè)上大顯身手。地球中含有鈾238和釷232，它們產(chǎn)生的地?zé)峥赡苁球?qū)動(dòng)地球演化的主要因素。它們衰變產(chǎn)生的中微子稱為地球中微子。不同的地球演化模型預(yù)言了不同的鈾釷含量，通過(guò)探測(cè)地球中微子，可以獲得其他手段無(wú)法達(dá)到的地球深處的信息。

　　日本KamLAND實(shí)驗(yàn)首次探測(cè)到了地球中微子，意大利BOREXINO也進(jìn)行了測(cè)量，但它們事例數(shù)太少，精度不高。江門(mén)中微子探測(cè)器比它們大20—40倍，能夠更準(zhǔn)確地探測(cè)地球中微子，有可能達(dá)到判別地球演化模型所需的精度。

　　曹俊介紹，除此之外，江門(mén)實(shí)驗(yàn)還可以研究太陽(yáng)中微子、大氣中微子、惰性中微子等。

　　2014年7月底，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)正式成立了國(guó)際合作組。中科院高能物理研究所為此已經(jīng)籌備了差不多兩年。今年1月份，中科院高能物理研究所在開(kāi)平召開(kāi)了一次大型的籌備會(huì)議，歐洲和美國(guó)有20個(gè)研究機(jī)構(gòu)大約40名代表來(lái)到開(kāi)平參加了會(huì)議。

　　曹俊說(shuō)，全世界有相同興趣的科學(xué)家組成合作組，共同參與一個(gè)實(shí)驗(yàn)，是大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)的常態(tài)。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)也是以國(guó)際合作的形式進(jìn)行，其中美國(guó)有十幾個(gè)大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室參與，并貢獻(xiàn)了一半的設(shè)備經(jīng)費(fèi)，是中美在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域最大的國(guó)際合作，也是美國(guó)能源部在海外的第二大投資。

　　江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)或?qū)⒃诔滦侵形⒆?、太?yáng)中微子、大氣中微子、地球中微子等領(lǐng)域都能做出國(guó)際領(lǐng)先的研究成果，因此得到了歐洲粒子天體物理界的大力支持，將江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)列入了他們的領(lǐng)域規(guī)劃，并建議各國(guó)政府投入經(jīng)費(fèi)支持。

　　國(guó)際合作組中還包括了法國(guó)5個(gè)大學(xué)、意大利6個(gè)研究所、德國(guó)6個(gè)大學(xué)，芬蘭、捷克、俄羅斯也各有1個(gè)大學(xué)參與，比利時(shí)也打算參加進(jìn)來(lái)。隨著研究的進(jìn)行，還會(huì)有更多的研究機(jī)構(gòu)參與進(jìn)來(lái)?！敖T(mén)中微子實(shí)驗(yàn)將成為國(guó)際上最重要的中微子研究中心之一?！辈芸≌f(shuō)。

　　江門(mén)是“世界上

　　最適合的選點(diǎn)”

　　這樣一個(gè)國(guó)際先進(jìn)水準(zhǔn)的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)為何落戶江門(mén)？曹俊告訴南方日?qǐng)?bào)記者，建設(shè)中微子實(shí)驗(yàn)室，江門(mén)擁有著得天獨(dú)厚的條件，“世界上都找不到比江門(mén)更好的點(diǎn)?！?/p>

　　他介紹，利用反應(yīng)堆中微子振蕩幾率中的干涉效應(yīng)來(lái)測(cè)量質(zhì)量順序，其最佳基線（即核反應(yīng)堆到中微子探測(cè)器的距離）約為60公里。

　　到2012年，高能物理研究所的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)江核電站和臺(tái)山核電站的60公里交叉點(diǎn)區(qū)位條件不錯(cuò)，這個(gè)交叉點(diǎn)就位于江門(mén)開(kāi)平。

　　江門(mén)開(kāi)平市金雞鎮(zhèn)和赤水鎮(zhèn)交界處的打石山最終被“選中”。它位于陽(yáng)江、臺(tái)山兩個(gè)核電站的物理交匯點(diǎn)，距離核反應(yīng)堆53公里，來(lái)自反應(yīng)堆的中微子在此處振蕩效應(yīng)最明顯。打石山擁有厚厚的花崗巖層，能抵擋來(lái)自外界的輻射。

　　“江門(mén)的這個(gè)點(diǎn)不僅是附近唯一的一個(gè)點(diǎn)，而且世界上也找不到比這更好的點(diǎn)?！辈芸〗忉?，這是因?yàn)榉磻?yīng)堆的功率越大越好，越大的話探測(cè)器就可以越小，如果反應(yīng)堆小一半，探測(cè)器就要大一倍，昂貴許多?！瓣?yáng)江跟大亞灣一樣，有6個(gè)反應(yīng)堆。臺(tái)山雖然只規(guī)劃了4個(gè)堆，但功率比大亞灣的還要大。兩個(gè)核電站加起來(lái)，是世界上功率最大的?！?/p>

　　沙向雄是江門(mén)市發(fā)改局副局長(zhǎng)，一直代表江門(mén)市參與配合此中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。他透露，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目總投資22億多元。

　　他認(rèn)為，江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)室能增進(jìn)江門(mén)的中外科技交流，提升江門(mén)及周邊地區(qū)青少年的科學(xué)興趣，并可成為高能物理的科普教育基地。

　　“許多群眾對(duì)這個(gè)項(xiàng)目真實(shí)的情況不了解，擔(dān)心核輻射的問(wèn)題?！鄙诚蛐郾硎荆紤]到這一點(diǎn)，江門(mén)市相關(guān)部門(mén)也一直主動(dòng)在向社會(huì)宣傳和解釋這個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)科普知識(shí)。

　　他介紹，江門(mén)市專門(mén)邀請(qǐng)了中科院王貽芳教授在五邑大學(xué)進(jìn)行了一場(chǎng)關(guān)于中微子的科普講座。除此之外，五邑大學(xué)的學(xué)生還建立了一個(gè)網(wǎng)站普及相關(guān)科學(xué)知識(shí)，消除公眾顧慮。

　　“中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與天文望遠(yuǎn)鏡類似，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的是氣象，探測(cè)器觀測(cè)的是中微子?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克L(zhǎng)王貽芳此前在接受采訪時(shí)表示，中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目本身不產(chǎn)生中微子，不生產(chǎn)或使用任何核燃料，也不會(huì)產(chǎn)生廢液、廢氣，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

　　王貽芳介紹，探測(cè)器未使用任何放射性物質(zhì)。實(shí)驗(yàn)使用的探測(cè)器閃爍液體主要成分是線性烷基苯，主要用作表面活性劑的原料，通常用于生產(chǎn)洗滌劑、乳化劑、分散劑、工業(yè)清洗劑等，無(wú)色無(wú)味無(wú)毒。且探測(cè)器本身就安置在水中，就算烷基苯從有機(jī)玻璃容器中流出，也是留在包圍它的大水池中。

　　他表示，中微子極難探測(cè)，因此必須用極大的探測(cè)器，在極干凈的環(huán)境中才能探測(cè)到?！皩?shí)驗(yàn)裝置沒(méi)有放射性，天然環(huán)境中的放射性反而會(huì)干擾中微子探測(cè)器，因此所有的實(shí)驗(yàn)裝置和材料，都必須比日常環(huán)境更干凈?！?/p>

　　南方日?qǐng)?bào)記者

　　王騰騰 李秀婷

　　策劃統(tǒng)籌：

　　江華 黃慧瑩

原文鏈接：http://epaper.southcn.com/nfdaily/html/2014-08/16/content_7340268.htm