大亚湾实验：补上物理世界第25块积木

2017年伊始，大亚湾中微子实验团队被授予国家自然科学奖一等奖。大亚湾中微子装置在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式，被《科学》杂志和权威媒体称为“中国有史以来最重要的物理学成果”。

深圳大亚湾核反应堆群的360米外，百米高的花岗岩山体腹中，藏着中国迄今最成功的粒子物理实验装置。中国科学家借此精确测到中微子的第三种变身方式。

“描述世界一共有28个基本参数”，中科院高能物理所所长王贻芳告诉科技日报记者，大亚湾测得的中微子θ13是第25个参数，还有三个参数迄今未知。

中微子来自核反应堆和恒星，号称“隐士”，几乎不与任何粒子反应,只有包含海量粒子的探测器，才能侥幸拦下来几个。中微子分电子中微子、μ中微子和τ中微子，它们可以互相转化——振荡。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种之前已找到，都拿了诺贝尔奖。大亚湾实验是测量第三种振荡——电子中微子行军路上变成τ中微子。θ13数值的大小，关系到以后中微子装置怎么设计。

这是一场国际竞争，8家实验室齐头并进。中科院高能物理所的大亚湾实验方案最为诱人，多国科学家加入。大亚湾本来预计两年得到高精度结果，但为了在竞争中领跑而调整方案。取数后3个月，2012年3月，他们宣告胜利：θ13是8.8度，正负误差0.8度。

从阳光海岸钻入山洞，来到地下实验室。探测器呈直径5米、高5米的圆柱形，有着不锈钢的外壳，内装透明的“液闪”（液体闪烁体）。好几个探测器沉入水池，尽可能屏蔽干扰射线。

水和“液闪”的主成分烷基苯的质子密度都很高。大亚湾核反应堆每天产生10的26次方个反中微子，穿过水和烷基苯时，每天1000个中微子迎面撞上质子，抛出光子和中子；中子跟液闪反应放出光子。微弱的光被探测器内的光电倍增管放大并记录。从光强度算出中微子能量。

距离反应堆较近和较远的探测器探测到的中微子能量不同，说明中微子在1000多米的路上“变身”了。

尽管厚厚的山体屏蔽，干扰仍然不断：实验设备的异常高压、核反应堆异常、宇宙射线……每天有360个中微子闪烁，但却有25万个宇宙射线闪烁。层层套娃一样的容器是为了辨别有效和无效闪光。筛选后，每天300GB的压缩数据送往中科院和美国伯克利国家实验室。

       几个小的、模块化的探测器是中国人的首创。小探测器使隧道面无需太阔。中国人的另一成功之处，是调配出了长时间保持清澈的液闪，这可比调一杯鸡尾酒难多了。为了加速中微子反应的闪光，液闪中得掺入稀土元素钆，中国与美国有各自的配方。测试表明，中国的液闪世界第一。

探测器钢罐壁厚1厘米，变形要控制在1毫米内。制造厂经过80多次焊接试验，用时一年多才造出来。

2016年2月，大亚湾装置还测得了迄今为止最精确的反应堆中微子能谱，发现与理论预期存在两处偏差。这开启了新的课题。

“中微子是什么粒子，我们并没搞清楚。”中科院高能物理所研究员曹俊说，标准理论模型赋予质量的是希格斯粒子，但中微子质量较之低了15个量级，“很不自然”。为了解释中微子为何如此轻，学者倾向于“跷跷板机制”：或许有种重的中微子，叫惰性中微子，它可能是暗物质的组成部分。破解中微子之谜的征途上，大亚湾实验搭起了一座必经之桥。

(责编：阴重宇(实习生)、熊旭)