中微子“振荡”大亚湾之后……

 
中微子“振荡”大亚湾之后……  
 

2017年安装中的液闪置换装置

曹俊在工作现场

■本报见习记者 程唯珈

在大亚湾核电站附近几百米的深山里，潜伏着世界上最好的中微子探测器。它本是用来确认中微子的第三种“变身”模式的，几年前已经完成任务。如今，它在国家自然科学基金重大项目的支持下，稳健地迈向新的征程。

“振荡”世界的中微子

中微子是个高深莫测的家伙，一直以来，它都在挑战人类的认识能力。

作为一种不带电、质量极其微小的基本粒子，中微子数量十分庞大，每秒钟约有几万亿自由穿过人体，并以接近光速运动。由于其几乎不与任何物质发生作用，因此也拥有了宇宙间“幽灵粒子”的称号。

不仅神出鬼没，中微子还会“变身”——它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，即中微子振荡。其拥有3种振荡的量化描述，分别为θ12、θ23和θ13。前两种已被科学家们通过大气中微子和太阳中微子实验测量到，唯有代表第三种振荡模式的θ13，长期和全世界的物理学家捉迷藏。

时间回溯到2012年3月8日，这是一个值得科技界铭记的日子。

当天下午2点15分，由中国科学院高能物理研究所牵头的大亚湾中微子实验（以下简称大亚湾实验）国际合作组在北京宣布，大亚湾实验利用两个近点实验厅和一个远点实验厅内6个中微子探测器的数据，发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。该实验达到了前所未有的精度，测得第三种中微子振荡模式的振荡幅度为9.2%，误差为1.7%，无振荡的可能性只有千万分之一。

“这是物理学上具有重要意义的一项重大成就。”诺贝尔物理学奖得主李政道曾如此评价大亚湾实验。

一时间，众多荣誉纷至沓来。短暂的喜悦过后，中国科学院高能物理所研究员曹俊陷入了更深的思考。

“中微子振荡的信号不仅体现在中微子个数的减少上，也体现在所测中微子能谱的变形上。”曹俊告诉《中国科学报》，因为不同能量的中微子振荡几率不同，从而造成近点和远点探测到的中微子的能量分布（能谱）不同。研究能谱的变形，可以测量尚未测得的振荡频率，也可以把振幅测得更准。

然而，这项看上去直截了当的工作进展并不顺利。“要测量中微子能谱，先要精确理解探测器对不同能量中微子的响应，而这是个非线性曲线。”曹俊说。

曹俊介绍，工作的难点主要在于两方面。“首先，我们通过大量研究发现，探测器的非线性来自电子学和液体闪烁体两个因素，交错在一起，现有数据不足以准确确定。其次，测得的中微子能谱与理论模型对不上。如果假定能谱是对的，则需要一个看上去很怪的非线性曲线。”

而这两个问题不仅影响大亚湾实验后面的物理研究，也会严重影响我国下一代中微子实验——江门中微子实验。它采用2万吨液体闪烁体，瞄准国际中微子研究的下一个重大问题即中微子质量顺序，同时也将在精确测量振荡参数、太阳中微子、地球中微子、质子衰变等方面取得国际领先。

为了解决这些问题，2014年，国家自然科学基金委员会启动了“大亚湾中微子实验的物理分析与新探测器关键技术研究”重大项目。时隔5年，在项目结题验收会上，曹俊报告了项目取得的主要进展和成果。“这些成果保持了我国在反应堆中微子实验中领先的国际地位，进一步扩大了我国在中微子研究领域的国际影响。”曹俊评价说。

五朵金花齐绽放