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中国最重要的中微子实验正式退役

时间: 2020年12月14日 | 作者: 戚译引 | 来源: 科研圈
大亚湾反应堆中微子实验已经完成使命,江门中微子实验将接过“接力棒”,开启下一段探索之旅。

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图片来源:中科院高能所直播截图


撰文 | 戚译引

来源 | 科研圈(ID: keyanquan)


今天,在深圳大亚湾核电站北部的山地深处,大亚湾反应堆中微子实验(简称大亚湾实验)正式退役了。


大亚湾实验使我国的中微子研究从无到有,跨入国际先进行列。2012 年3月,大亚湾实验发现了中微子振荡的新模式,被《科学》(Science)评选为 2012 年度十大科学突破之一,获得2016年度国家自然科学一等奖、2016年度基础物理学突破奖、2019年度未来科学大奖等多个奖项。


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在大亚湾实验中,8 个完全相同的中微子探测器分别安装在 3 个地下实验洞室内,其中 4 个两两一组,分别靠近大亚湾核电站和岭澳核电站;另外 4 个位于大亚湾北部山地深处。大亚湾实验示意图。(图片来源:中科院高能所)


退役仪式上,水池盖子八年来第一次打开,露出下方的四个中微子探测器,浸泡在高度纯净的水中。来自 6 个核反应堆的中微子抵达探测器,和其中的液体闪烁体发生反应,产生的光信号被探测器中的光电倍增管记录下来。通过这种方式,号称“幽灵粒子”的中微子现出真身,为科研人员透露宇宙的秘密。


中微子研究是当前物理学中最热门的领域之一。大亚湾实验退役后,中国中微子研究的重心将转移到江门,一年后那里将建成全世界最大的液体闪烁体中微子探测器,称为江门中微子实验(简称 JUNO、江门实验)。再加上美国的深层地下中微子实验(DUNE)、日本的顶级神冈探测器(Hyper-K),未来十年中全世界预计共有三台大型中微子实验陆续启动,新一轮竞争正在拉开序幕。


在过去十年中,大亚湾为中国中微子研究打下了哪些基础?大亚湾退役后,江门实验有哪些值得期待?科研圈就相关问题采访了中国科学院高能物理研究所研究员温良剑。为表述简洁,采访内容有删减和修订。



告别大亚湾


科研圈:大亚湾实验的一个主要成果,就是在2012年精确测定了中微子混合角 θ13,可以解释一下这个参数的意义吗?


温良剑:中微子是宇宙中密度非常高的一种基本粒子,跟宇宙的演化密切相关,对于宇宙学和粒子物理都非常重要。而中微子有三种,跟三种轻子混合,就产生对应的三组混合角和三个质量平方差。2015年获得诺贝尔奖的两个实验,日本的超级神冈实验(Super-K)和加拿大的萨德伯里中微子观测站(SNO)实验,他们就测到了另外两种振荡模式,确定了另外两个混合角。在那之后,中微子振荡图像的拼图还差 θ13 这一块,这次测量就补全了这块拼图。


中微子混合角 θ13 是粒子物理学里面 28 个基本参数之一,测定它的值可以使科学界更加深入地了解中微子基本性质。测定 θ13 之后,我们就可以规划下一步的中微子振荡实验,测量中微子质量顺序,以及中微子振荡里面的宇称和电荷对称性的破坏,也叫 CP 破坏。CP 破坏表征粒子和反粒子之间的行为差异,是解释宇宙早期的物质和反物质不对称的必要条件。同时中微子的质量顺序也非常重要,就是确定三代中微子的质量谁轻谁重。我们只有在测到 θ13 之后,才能做下一代的实验,解决这些问题。


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大亚湾实验使用的探测器。192个8英寸光电倍增管安装在紧贴钢罐内壁的支架上,用于探测中微子俘获时发出的光信号。(图片来源:中科院高能所)


科研圈:大亚湾的退役是什么时候规划的?


温良剑:其实是好几年前了。大亚湾 2012 年投入运行,原计划是运行 3 年达到物理目标,然后 5 年完成运行,也就是 2017 年结束。不过 2015 年的时候,我们发现有些新的分析技术可以极大减小误差,让时间精度能变得更高,这样的话继续运行就有比较大的科学价值。而且当时我们也测了反应堆中微子能谱,发现它跟理论模型有比较大的差异,想获取更多的数据去理解它。所以综合各方面原因,2016 年合作组正式决定(让实验)继续运行到 2020 年。到这个时候探测器的误差已经是主导了,继续增加数据并不能显著提高精度。换句话说,这时候再运行更长时间就不划算了,要花更多钱,但是不一定有更好的收益。所以就决定在今年年底(让它退役)。


科研圈:对于这个项目地点和这些设备,未来有怎样的规划呢?


温良剑:退役仪式之后马上就会开始现场设备的拆除,然后撤场,也就是把实验装备拆卸运到别的地方去。预期半年之内完成撤场,之后场地就会移交给实验站所在的中广核集团,进行后续的开发利用,可能会用作科普展馆。


大亚湾的一部分设备我们会运到江门中微子实验现场,也做科普的用途。我们现在在江门实验那边,有个用来装配探测器的地面安装厅,面积比较大,有几千平米。完成安装之后(安装厅)就空出来了,然后我们就会把它改造成一个科普展览馆。估计可能过一两年会有比较明确的方案。


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JUNO 实验规划图(图片来源:中科院高能所)


科研圈:现在大亚湾实验室就要撤场了,您对此有怎样的感受?


温良剑:其实没有特别的感觉,有一种仪式感。毕竟我是从大四开始就参与到这个实验,到今年已经过了 15 年了,算是参与了它的全过程。到目前为止它有很多很重要的成果,而且很多成果超出当时的预期,所以还是挺圆满的。现在有个退役仪式,也算是个圆满的结束,更多的是比较开心。



追寻中微子的痕迹


科研圈:大亚湾还有一些实验也为江门中微子实验打下了基础,例如反应堆中微子能谱测定、液体闪烁体(液闪)的预研,可以介绍一下这些方面吗?


温良剑:大亚湾的实验科学目标跟江门中微子的科学目标是完全不一样的,但实验技术上有传承,并且同样研究的是反应堆中微子,所以大亚湾目前的一些成果对将来(中微子)研究也是比较有意义的。用大亚湾的探测器高精度测量反应堆中微子能谱,能够为江门的研究提供一个比较精确的输入值。反应堆中微子能谱和裂变核素有比较强的关联。我们通过大亚湾的数据解出了里面两种主要核素的反应堆中微子能谱,就是铀 235 和钚 239。这是首次测量、分解出这两种中微子能谱。


另外一方面就是液体闪烁体的预研。在 2017 年的时候,我们就让大亚湾的一个探测器退出实验,专门用来做江门中微子实验的液闪预研。我们在(容量)20 吨的探测器里面试验了江门的液闪配方,然后对它进行纯化实验,来验证放射性和透明度能不能达到江门实验的要求,通过一两年的实验确定了最优配方。


这次撤场完了之后,我们还要拆掉这个探测器,为江门的刻度系统做一个验证。江门实验的探测器直径 30 多米,内部空间很大。我们将来会有一个小型潜水艇刻度装置,它能在探测器里面自动跑到任何你指定的地方,在那部署一个刻度源,模拟发生在探测器不同位置的中微子事件,标定它在所有的光电倍增管上产生的信号分布。这个(设备)是需要验证的,那么大亚湾探测器也是一个很好的验证装置。所以大亚湾从运行到最后撤场,都会给江门提供很重要的参考。


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江门中微子实验探测器示意图,探测器主体为一个直径 30 米的有机玻璃球。(图片来源:中科院高能所)



给中微子“称体重”


科研圈:江门中微子实验的规模要比大亚湾大很多,并且建成之后会是全世界最大的液体闪烁体中微子探测器。这样的设备在建造过程中遇到怎样的挑战呢?


温良剑:首先从规模上来讲,大亚湾的一个探测器模块(液闪)质量是 20 吨,江门是 2 万吨,整整大了一千倍。现在正在运行的国际上最大的液体闪烁体探测器,是日本的 KamLAND 实验,它(的液闪)只有 1000 吨,江门探测器比它大 20 倍。


探测器做大了之后有非常多的技术困难。首先,因为我们要测中微子质量顺序,需要精确测量中微子振荡的能谱。这个要求非常高的能量分辨率,须用量子效率很高的 20 英寸直径光电倍增管。这个制造难度是非常大的。十年之前,20 吋的倍增管只有日本能生产,是从神冈实验开发出来的垄断技术。我们当时也跟他们沟通过,他们的费用特别高,而且当时的效率其实是达不到我们要求的。


所以在 2009 年,高能所开始部署自己研发光电倍增管。高能所跟北方夜视公司还有其他一些研究单位,组建了一个产学研联合攻关组,经过大概 10 来年的努力,成功研发了基于微通道板的新型光电倍增管,效率能够达到国际上最高,并且其他参数也跟日本滨松公司产的光电倍增管也比较接近。最终我们有接近 2 万个光电倍增管,有 15,000 个是国产,实现了一个非常大的技术突破。


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自主研发的 20 吋光电倍增管(图片来源:中科院高能所)


另外一个困难就是,探测器非常大,它的主体是一个直径 30 多米、厚 12 厘米的有机玻璃球,里面要装 2 万吨的液闪。这个有机玻璃需要很高的洁净度和很高的透光性,而且天然放射性要特别低。你要造这么大一个球,还得这么高的要求,这在国内应该是从来没做过的。


国际上最大的(中微子探测器)有机玻璃球就是加拿大 SNO 实验(的探测器),它直径只有 10 米。我们要做 35 米,难度非常大。这个也是经过了好几年的努力,和企业以及做机械设计力学分析的团队一块,建了专门的实验室去研究有机玻璃的力学性能。团队还专门做了一个直径 3 米的小球,来验证所有的这些设计是否合理,然后再把它推广到直径 30 米的一个大球上。整个过程也是经过了很多困难,有技术上的,也有材料上的、工程机械上。这些困难也是基本都解决了,现在已经开始生产(设备),开始预安装。


科研圈:关于江门中微子实验的选址,相关资料提到了两个关键的点,一是它离两个反应堆的距离相等,二是这个距离要达到 53 公里。为什么要这样选择呢?


温良剑:我们所有的选择都是围绕这个实验目标,也就是测中微子的质量顺序。质量顺序的信息隐藏在中微子振荡的能谱里面,我们想测的是一个非常小的振荡,是发生在一个大的振荡的包络上的。大的振荡效应越大,小的振荡就看得越清楚。我们希望 θ12 引起的振荡是达到最大,那么 53 公里是合适的距离。然后还有一个要求是它要和两个反应堆等距。如果这个距离不相等的话,振荡会发生抵消;而如果距离精确相等,它的效应叠加起来就达到最大。


把这些(因素)都放在一起的话,其实我们当时设计的时候,考虑台江和阳江两个反应堆,比较合适的一个范围其实非常窄,大概在 15 公里长、宽几百米的一个区域内,实验点必须选在这里面才能让灵敏度达到要求。在这个基础上,还要去看这个地方有没有比较高的山,山能够屏蔽宇宙线的本底辐射;还有山的岩石质量要足够好,因为要挖很大的洞室,岩石要能撑得住大的空间。


把这些因素全都综合起来,现在江门的实验选址基本上就是最佳的,也是唯一的选择。这其实也有一些运气。实验站离反应堆的距离跟实验目标密切相关,定了距离之后,去看当地有什么条件,然后要在中国地图上找有哪些反应堆是合适的。这样筛选下来基本就没什么选择了。


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JUNO 实验隧道(图片来源:中科院高能所)


科研圈:接下来大致介绍一下未来江门中微子实验的计划吧。


温良剑:我们首先是要确定中微子的质量顺序,这是首要的目标。现在竞争的国际上三大实验,除了中国的江门之外,还有日本的顶级神冈、美国的 DUNE 实验,这三个实验都可以测中微子质量顺序,但是另外两个实验还可以测 CP 破坏的大小,实验的原理各有互补。


还有跟这密切相关的一个非常确定的预期成果,就是我们可以对中微子的振荡参数做精确测量,要达到远好于 1% 的程度。这个对未来理解中微子和轻子的混合的性质也是非常重要的。


作为世界上最大的液体闪烁体探测器,它还可以研究很多其他的中微子课题。比较大的一类就是天体中微子。天体中微子包括太阳来的、地球自己产生的,特别是来自宇宙天体的中微子,它对(理解)宇宙演化和各种元素的形成非常重要。江门探测器对于超新星爆发(产生的)中微子有很强的探测能力。此外还能寻找超新星遗迹中微子。从 1987 年到现在,还没有观察到过一次新的超新星爆发中微子;但是在宇宙演化的 138 亿年中,超新星不停爆发,产生大量的中微子,在宇宙中飘来飘去,最后形成了一个背景一样的分布。如果能探索到这些遗迹中微子的话,就能探知宇宙演化的一些信息,像恒星的形成的速率,还有黑洞的形成率等。但这种超新星遗迹中微子至今还没有被观测到过,江门对它也有很强的探测能力。


科研圈:目前江门中微子实验还在建设中,在它正式投入之前,相关的研究团队会做哪些方面的工作?


温良剑:我们现在在做分析的准备,并充分开发江门实验的物理潜力。随着探测器的建造过程,我们对它各方面的参数会有更深的理解。为了将来更好地描述和理解探测器的性能,需要开发比较精确的模拟软件和事例重建软件,这也是国际高能物理实验或者粒子物理实验通用的做法。所以现在大量的工作也是在开发这些软件,来尽可能提高它的精度。在我负责的物理工作方面,大家都在努力地做这些准备,以便将来能在拿到数据的第一时间很快做出成果,因为有国际竞争在里面。


然后我们也在抽一小部分精力来做未来的规划和预研。其实不光是大亚湾,所有的粒子物理实验都有类似的规律,就是你在做一个实验的时候,就要开始考虑这个实验下一代该做什么。当时大亚湾还没开始实验的时候,我们就在考虑大亚湾之后做什么;现在江门实验正在建设,我们也在考虑未来做什么。


我们计划是在 2030 年左右,或者说当江门实验主要的目标完成之后,把它改造成一个无中微子双 β 衰变实验 ,来测量中微子有效质量。无中微子双 β 衰变也是一个非常热门的前沿,能够直接探测中微子的质量。江门实验室测的是质量顺序,只是确定谁轻谁重,把三代(中微子)的顺序排好;但是把顺序排好之后,最轻的中微子质量是多少还不知道,这其实也是非常重要的一个基本问题。