中国主导的“超级实验”江门中微子实验，追寻粒子世界的“隐世高手”

轻如尘、快似光，能够轻易穿越各种物体，还能够时不时“变身”——中微子无疑是基本粒子世界里的“隐世高手”；中微子号称“幽灵粒子”，是目前科学上最神秘的粒子之一。此外，它们或许还隐藏着有关宇宙大爆炸的绝世秘密。正是因为如此，关于它们的任何线索都可谓是价值连城。

什么是中微子？

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中微子存在于自然界的每个角落，是组成物质世界的最基本的粒子之一。中微子个头小、不带电，可自由穿过地球，自旋为1/2，质量非常轻，以接近光速运动，与其它物质的相互作用十分微弱，号称宇宙间的“隐身人”。 中微子是1930年奥地利物理学家泡利为了解释β衰变中能量似乎不守恒而提出的，1933年正式命名为中微子，1956年才被观测到。科学界从预言它的存在到发现它，用了20多年的时间。中微子几乎不与物质发生任何反应，因此尽管每时每刻都有数以万亿计的中微子穿过我们的身体，但我们却感觉不到它们的存在。实际上，迄今为止我们还没有测出它的质量到底有多小。从宇宙诞生的第一秒，就产生了数量惊人的中微子。太阳、地球、大气层中的宇宙线、反应堆、超新星爆发都产生大量的中微子。

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现代宇宙学研究告诉我们，中微子有三种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，分别对应于相应的轻子：电子、μ子和τ子。在1998年日本超级神冈实验中发现了中微子振荡现象，即中微子能在飞行过程中从一种变成另外一种，后来通过多个实验的得到证实。中微子及其振荡现象的研究对于我们理解微观世界的规律和宏观宇宙的起源和演化具有重要的意义。例如，宇宙中反物质丢失之谜极有可能与中微子有关。

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在继发现大气中微子振荡和太阳中微子振荡之后，2012年3月8日，中国科学院高能物理研究所王贻芳团队参与的大亚湾中微子实验国际合作组发现的中微子振荡新模式，并入选美国《科学》杂志评选的当年度十大科学突破，且在3年后的2015年11月9日，大亚湾中微子项目首席科学家王贻芳还凭借这一成果获得“基础物理学突破奖”——这也是我国科学家在国际上首次获得这一殊荣。

这项重大物理成果在国际高能物理界引起热烈反响，被誉为“开启了未来中微子物理发展的大门”。业界同行指出，大亚湾实验测量到中微子混合参数θ13，将为今后中微子物理、天体物理、宇宙学等前沿科学研究提供精确的初值输入，对基本粒子物理的大统一理论、寻找与鉴别新物理，甚至揭开宇宙“反物质消失之谜”具有重要意义。

为什么要研究中微子？

根据宇宙大爆炸理论，我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。在宇宙大爆炸时，第一秒钟内产生了无数的中微子，它们携带了比光更早期的宇宙信息。由于中微子难以探测，到目前为止我们还没有找到有效的办法测到这些宇宙中微子，去寻找最早期的宇宙信息。

　　我们所身处的物质世界，所有人都能感知。可科学家相信，宇宙在大爆炸之初，除了产生物质世界，同时还产生了反物质世界，在宇宙的起源和演化过程当中，曾经存在过反物质世界，只是它后来消失了。它消失到哪里去了?要揭示反物质世界的消失之谜，就要从现存的物质世界中找寻蛛丝马迹，而科学家普遍认为，广泛存在于物质世界中的中微子，就包含了反物质世界是如何消失的重大信息。在100多亿年前，由于中微子的作用，反物质消失了，最终形成了我们的世界。　　

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有时候，由于星球的爆发，天上会突然出现一颗明亮超新星。构成地球的大部分元素实际上都是超新星爆发形成的。中微子带走了超新星爆发出的99%的能量，探测来自超新星的中微子，能够告诉我们超新星爆发的机制。　

光在星际传播时会转弯，而中微子不会。在南极洲的2000多米冰层下面，科学家们建立一立方公里大的中微子探测器，用来寻找来自宇宙的超高能中微子，寻找超高能宇宙线的起源。2018年，位于南极的“冰立方”中微子实验(icecube)就首次发现来自于猎户座40亿光年以外的“耀变体”中微子，证明了其中心有超级黑洞的活动星系核，确实可以加速宇宙射线到几万万亿电子伏特，比目前人类最强大的加速器高几千倍。这一发现，被《科学》杂志遴选为2018年国际最重大科学突破之一。

地球本身会发出中微子，这些中微子的构成与我们现在看不到的地球的结构有关系。

奇妙的中微子，现在我们能够产生它、探测它，那么能不能在日常生活中用上它呢？美国费米实验室的科学家利用一个试验装置，成功地用中微子实现了通讯，带宽为0.1bps（位/秒），误码率百分之一。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质，这种通讯不会受海水和地层的阻挡，也无法干扰、拦截和破解。也许有一天，它能变成实用未来的通讯方式。

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中微子也是一种新的天体物理的研究手段。中微子不带电，穿透能力强，因此能提供其他粒子无法提供的信息。南极洲的“冰立方” 实验中微子探测器于 2013 年发现了来自宇宙的极高能中微子，它们有可能提供极高能宇宙线起源的信息。探测超新星中微子、太阳中微子将带来星体内部的的信息，帮助我们理解星体的形成与演化。地球中微子也能帮助我们刺探无法到达的地球内部，帮助理解地球的形成与演化。

　　科学家对于中微子基础研究的重要性要远远大于它的实用性。100多年前居里夫人发现原子核的衰变时，也无人知晓这将意味着什么，今天核能的利用已经深刻地改变了世界。今天无比神秘的中微子还只是在象牙塔里，随着人类对自然界认识的不断深入，中微子的更多谜团被揭晓的那天，也许将深刻地影响未来。

江门中微子实验有望首次给中微子这个“隐形人”的质量排序

江门中微子实验是继大亚湾反应堆中微子实验之后由中国主持的第二个大型中微子实验，该实验的首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，这对于人类了解物质微观的基本结构以及宏观宇宙的起源与演化具有重要意义。实验站将建设在地下700米深处，计划2020年投入运行并开始物理取数，运行周期达20年以上。实验建造的中微子探测器将是世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器。这一实验的启动标志着我国中微子实验研究从起步到跨越的转变。

在大亚湾中微子实验发现中微子的第三种振荡模式后，国际中微子研究的下一个热点目标是测量中微子质量顺序。中微子有质量，是目前发现的唯一有坚实实验证据超出粒子物理标准模型的现象，对它的研究有可能发现新物理。物理灵敏度分析表明，进行这一研究的实验最佳站址在距反应堆50至55公里，且与所有反应堆距离相等的区域内。通过详细的地质勘测，科学家们将实验选址于江门市，这里距广东阳江和台山反应堆群约53公里，是世界上目前发现的最适合利用核反应堆测量中微子质量顺序的地方。阳江核电站共有6个反应堆，已全部建成，总热功率为17.4GW。台山核电站共规划4个反应堆，2个已建成，总热功率为18.4GW。由于中微子与物质的相互作用截面非常小， 难于探测。 探测到的中微子数正比 于反应堆的总热功率和探测器的有效质量。 阳江与台山核电站有效的反应堆群功率世界第一， 江门中微子实验的 2 万吨探测器每天能够探测到约 60 个反应堆中微子。

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江门中微子实验站地理位置示意图

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由于科学意义重大、实验方案独特，江门中微子实验引起世界科学界的瞩目。2014年7月，实验组建了国际合作组，有中国(包括台湾)、捷克、芬兰、法国、德国、意大利、俄罗斯等来自17个不同的国家和地区、77个高校与科研院所、600多位科研人员正式参加实验。

据实验国际合作组中方发言人、2015年基础科学突破奖得主、中科院高能物理研究所所长王贻芳表示，除了江门中微子实验外，日本、美国、欧洲、印度、韩国等5个国家和地区还有7个实验正在计划进行中微子质量顺序的研究。江门中微子实验凭借我们领先的液体闪烁探测器技术和反应堆中微子物理，提出了原创性的实验方案，有望率先测定中微子质量顺序。

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　　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都扮演着极为重要的角色。自从上个世纪50年代科学家发现中微子以来，对它的研究始终被视为全球科学界的前沿课题。

　　大亚湾反应堆中微子实验发现中微子第三种振荡模式，打开了理解反物质消失之谜的大门，使我国的中微子实验研究从无到有并走到了世界前列。江门中微子实验则瞄准国际中微子研究领域目前的热点问题：中微子质量顺序测量。中微子质量顺序是测量CP相位角的必要条件，也是中微子的内禀属性之一，决定了中微子的味结构，是所有粒子物理模型都必须面对的问题。它直接影响中微子及反中微子与物质的相互作用，并因此在宇宙演化、太阳及超新星中微子的产生与传播、各种长基线中微子振荡等有重要影响。它还将决定另一类极为重要的实验——无中微子双贝塔衰变实验的未来发展方向。

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　　合作组将液体闪烁体这个核心技术推进到前所未有的成熟度，江门中微子实验可以精确测量中微子6个振荡参数中的3个，并达到好于1%的国际最好水平，使检验中微子混合矩阵的幺正性、发现新物理成为可能。它也可以开展对超新星中微子、大气中微子、太阳中微子、地球中微子、惰性中微子、核子衰变、暗物质间接探测等前沿方向的研究，不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理乃至地球物理做出重大贡献。王贻芳表示，实验装置没有放射性，天然环境中的放射性反而会干扰中微子探测器，因此所有的实验装置和材料都必须比日常环境更干净，另外，实验本身也不会产生废液、废气，不会对环境造成污染，这是一个无污染科研项目。

实验怎么实施？

江门中微子实验三维布置图

江门中微子实验站配套基建分为地下实验室洞室群和地面建筑两部分，地下部分主要包括地下实验大厅及其附属洞室和交通隧道、实验厅水池、斜井、竖井等，地面建筑主要为装配大厅（含实验控制楼）、绞车房、动力中心、永久办公及宿舍楼等建筑。其中斜井、竖井需通向地下729米，地下实验大厅跨度50米、高70米，实验厅水池深40米，这些基建只是为江门中微子实验提供最基础的平台。

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中国水电六局工程人员在700米深的江门中微子实验地下实验室进行中导洞施工

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而整个实验的核心，是在比两个篮球场还长的地下实验大厅里，建造一个直径逾35米的球形探测器，即中心探测器，并要把中心探测器浸泡在一个直径约43米的圆柱形水池中。中心探测器内部要灌装2万吨液体闪烁体，并安装18000只20英寸的光电倍增管等。

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中微子探测器示意图：球形的中微子探测器置于水池中心，上下与四周均被2米以上的水包围以屏蔽本底，在水池顶部采用径迹探测器作为反符合探测器，钢网架上安放光电倍增管以探测并收集中微子事例。

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当主要设备都安装之后，实验就可以开始了。因为山体、水池等屏蔽体已经把干扰实验的绝大多数宇宙射线等因素排除出去，当有用的中微子通过水池进入中心探测器时，就会与2万吨液体闪烁体中的氢原子核发生撞击，碰撞产生的光被周围的光电倍增管探测、放大，并通过转换器变成数字信号送入计算机，就可供科学家们分析研究了。

江门中微子实验要投入运行，除了要克服基建难关之外，中心探测器、20英寸的光电倍增管等实验设备的研制、安装也非常有挑战性。比如，之前其它实验用的20英寸光电倍增管，全世界只有日本的一家公司能生产。为了使江门中微子实验不受制于人，在实验开始前，江门中微子实验项目发言人、2015年基础科学突破奖得主、中科院高能所所长王贻芳就启动了大光电倍增管的预研，由高能所牵头，北方夜视技术股份有限公司、中科院西安光学精密机械研究所、中核控制系统股份有限公司和南京大学等单位组成了产学研合作组。通过4年的攻关，攻克了高量子效率的光阴极制备技术、微通道板、大尺寸玻壳等多个技术难点，最终研制出量子效率、收集效率和单光电子峰谷比等关键技术指标达到国际领先水平的样管，拥有完全自主知识产权。于2016年11月，国内首条年产7500支20英寸光电倍增管的生产线建成运行，为江门中微子实验开展创造了良好条件。

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结束语

粒子物理是最重要的科学前沿之一。中微子研究是国际粒子物理研究的热点，也是唯一有实验证据超出粒子物理标准模型，可以取得重大突破的方向，是粒子物理、天体物理和宇宙学研究的交叉。

　　我国大亚湾实验已在这一世界前沿热点领域取得重大成果，发现了中微子第三种振荡模式，打开了理解反物质消失之谜的大门。江门中微子实验将解决国际中微子研究中下一个热点和重大问题：中微子质量顺序，不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理、乃至地球物理做出重大贡献。

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　　江门中微子实验将带动建立一支国际领先的科研团队，使我国的粒子物理研究走在世界前列，并带动国内新型建筑、化工工业、特种材料、特种分析测试仪器、光敏探测、微电子等相关高科技企业的核心技术创新，为实现科技强国战略做出重要贡献。

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