作者:程唯珈 来源: 中国科学报 发布时间:2019/5/27 9:57:53
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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

据了解,通过大亚湾实验,我国在反应堆中微子研究领域已取得了领先优势。探测反应堆中微子主要采用液体闪烁体探测器,核心技术包括液体闪烁体、光电倍增管、精确的探测器响应研究等。建设中的江门中微子实验将采用类似探测技术,但桌面仪器已达不到研发要求,技术挑战更大。

曹俊介绍,为此该重大项目在大亚湾实验的数据和设施基础上,将研究任务分成5个课题展开。

课题一主要研究探测器的能量非线性模型。课题二与课题三分别针对质量平方差和反应堆中微子能谱进行物理分析,首次测量了反应堆中微子振荡相关的质量平方差,逐步提高精度至2.8%,同时首次精确测量了反应堆中微子能谱,发现与理论模型不一致,在国际上激发了大量关于核数据的研究,开启了新的研究热点。

课题四和课题五则专攻硬件核心技术。

其中,课题四研制了一套液闪置换系统,将探测器内部20吨液体闪烁体置换出来,换成江门中微子实验特殊纯化后的液体闪烁体,并通过循环改变配方,进行了非线性、光产额、极低本底等一系列研究。

曹俊透露,实验中有一个很有意思的发现。“液体闪烁体的配方中有一种波长移位剂。以前国际上的实验,有的对光产额要求不高,没有添加;有的加100毫克/升,有的加20毫克/升,大亚湾实验加了15毫克/升。通过在大亚湾进行的置换实验,发现对大探测器只要加1毫克就够了,多了不仅浪费,也会使性能下降。”

为了研究电子学非线性,课题五研制了一套高速波形取样电子学读出系统,将电子学非线性从10%降到了0.5%,误差0.2%。加上对液闪非线性的研究,探测器能量非线性达到0.5%的精度,而之前国际最好水平大于1%。这些技术成果不仅提高了大亚湾实验的精度,也为江门中微子实验打好了基础。

曹俊介绍,通过重大项目,一方面可以让整个团队集中精力做研究,另一方面,团队中的一部分人也可以专心于核心技术,服务于科学目标,不用担心论文产出。

“大家有着共同的科学目标,既相互合作、取长补短,也相互竞争,这样培养出的青年人才自然向国际水平看齐。”他说。

在重大项目实施的5年间,大亚湾实验发表全合作组署名、自然科学基金委标注的SCI物理论文共14篇,技术论文2篇,发表的3篇振荡论文和3篇能谱论文均为本领域前1%的高引论文。共培养11名博士、22名硕士,5名讲师升任副教授,2名副教授升任教授。不少博士与博士后获得“玛丽·居里奖学金”、中德博士后基金、赵忠尧博士后奖学金、粒子物理前沿卓越中心“拔尖青年人才”“优秀青年人才”称号等殊荣。

“通过对核心技术的持续研究,我们为江门中微子实验做好了相关技术和人才储备,力争在国际上继续扩大领先优势。”曹俊说。

强化合作交流

回顾5年来的研发经历,曹俊对合作交流感受颇深。“对于重大问题的研究离不开团队的协作发展。”

首先是充分的国际合作。据了解,本项目研究合作组由中国、美国、俄罗斯、捷克、智利等国科学家组成,其中国外合作者数量约占一半。

其次是项目组内部课题成员的相互合作。“课题一采用了课题四和课题五的成果,得到探测器的整体能量非线性。同时课题一的物理分析人员帮助课题四、五的探测器和电子学研究人员设计实验和设备、提出了指标,也参与了其数据分析。而课题二、三直接采用课题一的能量非线性研究成果,在物理分析中也共同参与。”曹俊说。

此外,该项目研究合作组每年都会组织两次大亚湾国际合作组会和江门国际合作组会。项目组成员每年均得到大量国际会议邀请,参加国际会议、报告成果近百次,得到十多次大会报告机会,其中包括“天体物理与深地物理国际大会”“弱相互作用大会”等顶级会议。

曹俊介绍:“每次会议都由从事相关研究的专业人员参加研讨和交流。这些会议不仅促进了项目内成员之间的合作,也促进了和项目外研究人员的交叉合作。”

面向未来,曹俊介绍,大亚湾实验将于2020年完成使命,新一代的江门中微子实验将于2021年投入运行,几项挑战性的关键技术通过大亚湾实验实施和该重大项目研究已得到了验证。

特别是发现的反应堆中微子能谱与理论模型不一致现象,成为了新的研究热点。今年4月,国际原子能机构核数据中心召开专门会议,讨论中微子实验发现的核数据问题,对大亚湾实验及计划中的小型高精度实验——台山中微子实验寄予厚望。

《中国科学报》 (2019-05-27 第4版 自然科学基金)
 
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