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　　在大亞灣核電站附近幾百米的深山里，潛伏著世界上最好的中微子探測器。它本是用來確認(rèn)中微子的第三種“變身”模式的，幾年前已經(jīng)完成任務(wù)。如今，它在國家自然科學(xué)基金重大項目的支持下，穩(wěn)健地邁向新的征程。
　　“振蕩”世界的中微子
　　中微子是個高深莫測的家伙，一直以來，它都在挑戰(zhàn)人類的認(rèn)識能力。
　　作為一種不帶電、質(zhì)量極其微小的基本粒子，中微子數(shù)量十分龐大，每秒鐘約有幾萬億自由穿過人體，并以接近光速運動。由于其幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，因此也擁有了宇宙間“幽靈粒子”的稱號。
　　不僅神出鬼沒，中微子還會“變身”——它可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，即中微子振蕩。其擁有3種振蕩的量化描述，分別為θ12、θ23和θ13。前兩種已被科學(xué)家們通過大氣中微子和太陽中微子實驗測量到，唯有代表第三種振蕩模式的θ13，長期和全世界的物理學(xué)家捉迷藏。
　　時間回溯到2012年3月8日，這是一個值得科技界銘記的日子。
　　當(dāng)天下午2點15分，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的大亞灣中微子實驗（以下簡稱大亞灣實驗）國際合作組在北京宣布，大亞灣實驗利用兩個近點實驗廳和一個遠點實驗廳內(nèi)6個中微子探測器的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測量到其振蕩幾率。該實驗達到了前所未有的精度，測得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%，誤差為1.7%，無振蕩的可能性只有千萬分之一。
　　“這是物理學(xué)上具有重要意義的一項重大成就?！敝Z貝爾物理學(xué)獎得主李政道曾如此評價大亞灣實驗。
　　一時間，眾多榮譽紛至沓來。短暫的喜悅過后，中國科學(xué)院高能物理所研究員曹俊陷入了更深的思考。
　　“中微子振蕩的信號不僅體現(xiàn)在中微子個數(shù)的減少上，也體現(xiàn)在所測中微子能譜的變形上。”曹俊告訴《中國科學(xué)報》，因為不同能量的中微子振蕩幾率不同，從而造成近點和遠點探測到的中微子的能量分布（能譜）不同。研究能譜的變形，可以測量尚未測得的振蕩頻率，也可以把振幅測得更準(zhǔn)。
　　然而，這項看上去直截了當(dāng)?shù)墓ぷ鬟M展并不順利?！耙獪y量中微子能譜，先要精確理解探測器對不同能量中微子的響應(yīng)，而這是個非線性曲線。”曹俊說。
　　曹俊介紹，工作的難點主要在于兩方面。“首先，我們通過大量研究發(fā)現(xiàn)，探測器的非線性來自電子學(xué)和液體閃爍體兩個因素，交錯在一起，現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以準(zhǔn)確確定。其次，測得的中微子能譜與理論模型對不上。如果假定能譜是對的，則需要一個看上去很怪的非線性曲線。”
　　而這兩個問題不僅影響大亞灣實驗后面的物理研究，也會嚴(yán)重影響我國下一代中微子實驗——江門中微子實驗。它采用2萬噸液體閃爍體，瞄準(zhǔn)國際中微子研究的下一個重大問題即中微子質(zhì)量順序，同時也將在精確測量振蕩參數(shù)、太陽中微子、地球中微子、質(zhì)子衰變等方面取得國際領(lǐng)先。
　　為了解決這些問題，2014年，國家自然科學(xué)基金委員會啟動了“大亞灣中微子實驗的物理分析與新探測器關(guān)鍵技術(shù)研究”重大項目。時隔5年，在項目結(jié)題驗收會上，曹俊報告了項目取得的主要進展和成果。“這些成果保持了我國在反應(yīng)堆中微子實驗中領(lǐng)先的國際地位，進一步擴大了我國在中微子研究領(lǐng)域的國際影響。”曹俊評價說。
　　五朵金花齊綻放
　　據(jù)了解，通過大亞灣實驗，我國在反應(yīng)堆中微子研究領(lǐng)域已取得了領(lǐng)先優(yōu)勢。探測反應(yīng)堆中微子主要采用液體閃爍體探測器，核心技術(shù)包括液體閃爍體、光電倍增管、精確的探測器響應(yīng)研究等。建設(shè)中的江門中微子實驗將采用類似探測技術(shù)，但桌面儀器已達不到研發(fā)要求，技術(shù)挑戰(zhàn)更大。
　　曹俊介紹，為此該重大項目在大亞灣實驗的數(shù)據(jù)和設(shè)施基礎(chǔ)上，將研究任務(wù)分成5個課題展開。
　　課題一主要研究探測器的能量非線性模型。課題二與課題三分別針對質(zhì)量平方差和反應(yīng)堆中微子能譜進行物理分析，首次測量了反應(yīng)堆中微子振蕩相關(guān)的質(zhì)量平方差，逐步提高精度至2.8%，同時首次精確測量了反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論模型不一致，在國際上激發(fā)了大量關(guān)于核數(shù)據(jù)的研究，開啟了新的研究熱點。
　　課題四和課題五則專攻硬件核心技術(shù)。
　　其中，課題四研制了一套液閃置換系統(tǒng)，將探測器內(nèi)部20噸液體閃爍體置換出來，換成江門中微子實驗特殊純化后的液體閃爍體，并通過循環(huán)改變配方，進行了非線性、光產(chǎn)額、極低本底等一系列研究。
　　曹俊透露，實驗中有一個很有意思的發(fā)現(xiàn)?！耙后w閃爍體的配方中有一種波長移位劑。以前國際上的實驗，有的對光產(chǎn)額要求不高，沒有添加；有的加100毫克/升，有的加20毫克/升，大亞灣實驗加了15毫克/升。通過在大亞灣進行的置換實驗，發(fā)現(xiàn)對大探測器只要加1毫克就夠了，多了不僅浪費，也會使性能下降?！?br/>　　為了研究電子學(xué)非線性，課題五研制了一套高速波形取樣電子學(xué)讀出系統(tǒng)，將電子學(xué)非線性從10%降到了0.5%，誤差0.2%。加上對液閃非線性的研究，探測器能量非線性達到0.5%的精度，而之前國際最好水平大于1%。這些技術(shù)成果不僅提高了大亞灣實驗的精度，也為江門中微子實驗打好了基礎(chǔ)。
　　曹俊介紹，通過重大項目，一方面可以讓整個團隊集中精力做研究，另一方面，團隊中的一部分人也可以專心于核心技術(shù)，服務(wù)于科學(xué)目標(biāo)，不用擔(dān)心論文產(chǎn)出。
　　“大家有著共同的科學(xué)目標(biāo)，既相互合作、取長補短，也相互競爭，這樣培養(yǎng)出的青年人才自然向國際水平看齊?！彼f。
　　在重大項目實施的5年間，大亞灣實驗發(fā)表全合作組署名、自然科學(xué)基金委標(biāo)注的SCI物理論文共14篇，技術(shù)論文2篇，發(fā)表的3篇振蕩論文和3篇能譜論文均為本領(lǐng)域前1%的高引論文。共培養(yǎng)11名博士、22名碩士，5名講師升任副教授，2名副教授升任教授。不少博士與博士后獲得“瑪麗·居里獎學(xué)金”、中德博士后基金、趙忠堯博士后獎學(xué)金、粒子物理前沿卓越中心“拔尖青年人才”“優(yōu)秀青年人才”稱號等殊榮。
　　“通過對核心技術(shù)的持續(xù)研究，我們?yōu)榻T中微子實驗做好了相關(guān)技術(shù)和人才儲備，力爭在國際上繼續(xù)擴大領(lǐng)先優(yōu)勢?！辈芸≌f。
　　強化合作交流
　　回顧5年來的研發(fā)經(jīng)歷，曹俊對合作交流感受頗深?！皩τ谥卮髥栴}的研究離不開團隊的協(xié)作發(fā)展?！?br/>　　首先是充分的國際合作。據(jù)了解，本項目研究合作組由中國、美國、俄羅斯、捷克、智利等國科學(xué)家組成，其中國外合作者數(shù)量約占一半。
　　其次是項目組內(nèi)部課題成員的相互合作。“課題一采用了課題四和課題五的成果，得到探測器的整體能量非線性。同時課題一的物理分析人員幫助課題四、五的探測器和電子學(xué)研究人員設(shè)計實驗和設(shè)備、提出了指標(biāo)，也參與了其數(shù)據(jù)分析。而課題二、三直接采用課題一的能量非線性研究成果，在物理分析中也共同參與?！辈芸≌f。
　　此外，該項目研究合作組每年都會組織兩次大亞灣國際合作組會和江門國際合作組會。項目組成員每年均得到大量國際會議邀請，參加國際會議、報告成果近百次，得到十多次大會報告機會，其中包括“天體物理與深地物理國際大會”“弱相互作用大會”等頂級會議。
　　曹俊介紹：“每次會議都由從事相關(guān)研究的專業(yè)人員參加研討和交流。這些會議不僅促進了項目內(nèi)成員之間的合作，也促進了和項目外研究人員的交叉合作?！?br/>　　面向未來，曹俊介紹，大亞灣實驗將于2020年完成使命，新一代的江門中微子實驗將于2021年投入運行，幾項挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)通過大亞灣實驗實施和該重大項目研究已得到了驗證。
　　特別是發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)堆中微子能譜與理論模型不一致現(xiàn)象，成為了新的研究熱點。今年4月，國際原子能機構(gòu)核數(shù)據(jù)中心召開專門會議，討論中微子實驗發(fā)現(xiàn)的核數(shù)據(jù)問題，對大亞灣實驗及計劃中的小型高精度實驗——臺山中微子實驗寄予厚望。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2019-05-27 第4版 自然科學(xué)基金)