大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡

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北京时间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,并测量到其振荡几率。介绍该结果的论文已于3月7日送交美国《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)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。

中微子是一种不带电,质量极其微小的基本粒子,共有三种类型,即电子中微子、μ中微子和τ中微子,在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中,占了四分之一,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。中微子有一个特殊的性质,即它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型,通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。其中两种模式自60年代起即有迹象,当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡,随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。第三种振荡则一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在(即其振荡几率为零)。

中国科学院高能物理研究所的科研人员2003年提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的这第三种振荡,其振荡几率用sin22θ13表示。中国高能物理学会理事长赵光达院士表示:“θ13不仅是物理学中的一个基本参数,其数值的大小也对未来中微子物理的发展方向起着决定性的作用。如果它足够大,我们就能进行下一代实验来测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性(CP)破坏,以理解宇宙中物质-反物质不对称现象,即宇宙中‘反物质消失之谜’。否则我们就不知道如何进行下一代实验。”

大亚湾中微子实验位于深圳市区以东约50公里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与岭澳核电站,并且紧邻高山,有天然的宇宙线屏蔽。高能所的科研人员于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公里的隧道和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个全同的中微子探测器。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。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。”

用反应堆中微子测量θ13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DoubleChooz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。

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。大亚湾中微子项目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。”

图片说明:实验表明,sin213为9.2%,误差为1.7%,以超过5倍的标准偏差确定sin213不为零。大亚湾中微子实验首次发现了这种新的中微子振荡模式。

两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器安装在巨型水池中

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责任编辑:yangfan