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大亚湾反应堆中微子实验退役 江门实验预期2022年完成建设

时间:2021-02-20 19:43 来源:网络整理 转载:吴川资讯网
中国网/中国发展门户网讯 (记者 王振红)12月12日上午,大亚湾反应堆中微子实验(以下简称“大亚湾实验”)退役仪式在实验站现场举行。至此,这个自2003年开始,经过4年酝酿、4年建设和9年运行取数的我国第一代中微子实验装置,实现了原定科学目标,完成

中国网/中国发展门户网讯 (记者 王振红)12月12日上午,大亚湾反应堆中微子实验(以下简称“大亚湾实验”)退役仪式在实验站现场举行。至此,这个自2003年开始,经过4年酝酿、4年建设和9年运行取数的我国第一代中微子实验装置,实现了原定科学目标,完成了科学使命,正式退役。

中国科学院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳按下了停止运行的按钮,随后,实验大厅的水池外罩被打开,展现出沉浸在碧蓝色高纯水中的4个中微子探测器。停机退役的过程进行了网络直播,大亚湾实验的科学家进行了实时解说,使国际前沿的大科学装置近距离呈现在大众面前。大亚湾实验中方发言人曹俊研究员主持退役仪式。


12月12日上午,大亚湾反应堆中微子实验退役仪式在实验站现场举行。图为沉浸在碧蓝色高纯水中的4个中微子探测器。 中国网 王振红摄

大亚湾实验由中国科学院高能物理研究所牵头,是一个具有重要国际影响和重大科学意义的国际合作项目,也是中美两国目前在基础科学研究领域最大的合作项目之一。大亚湾实验国际合作组以中美物理学家为主,包括7个国家和地区,41个科研机构的200多名科研人员参与。退役仪式结束后,按计划进行设备拆卸撤场工作,预计在半年内完成。之后,实验场地将正式移交给中微子实验所在的中广核集团,由中广核集团进行后续的开发利用。

从无到有,走到世界前列,实现跨越式发展

据悉,中微子是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子,从宇宙诞生的大爆炸起就充斥在整个宇宙空间。太阳、地球、超新星、宇宙线、核反应堆,甚至人体都在不停地产生中微子,每秒钟都有亿万个中微子穿过我们的身体,但无法察觉,它几乎不与任何东西发生反应,甚至可以轻松穿过整个地球。十几年前,通过对太阳中微子和大气中微子的研究,科学家发现,中微子有一个神奇的特性,能够在飞行中从一种类型转变成另一种,即“中微子振荡”。过去30年已有4个诺贝尔奖颁发给了中微子领域的科学家。我国中微子研究由大亚湾中微子实验起步,从无到有并走到了世界前列,实现跨越式发展。

大亚湾和岭澳核电站共有6个反应堆,总功率位居世界前列,每秒钟产生的中微子多达35万亿亿个,同时附近有山,适合建地下实验室探测中微子。2003年,科学家们利用这一得天独厚的条件提出了大亚湾反应堆中微子实验方案,首次提出了多 ,樘讲馄鞯姆椒ǎ杓屏3个实验站和8个中微子探测器。该方案得到了国际上的广泛关注与赞同,美国能源部支持十多个美国国家实验室和大学参加大亚湾实验。2011年建成了国际领先的实验装置并正式运行,并于2012年在激烈的国际竞争中率先取得重大成果:发现对应于θ13的中微子振荡新模式。这是在我国本土诞生的重大物理成果。实验结果一经发布,立即在全球科学界引起热烈反响,被评价为中微子物理的里程碑,入选了美国《科学》杂志评选的2012年度十大科学突破,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。

2018年,大亚湾实验积累了当时世界最大样本的反应堆中微子数据,将振荡参数sin22θ13的测量精度从2012年的20%提高到了3.4%,预期最终精度将好于3%。这是自然界的基本参数,其精确测量具有重要科学价值。在未来几十年,该精度不会被其他实验超越。将振荡参数Δm2ee的测量精度从2013年的7.5%提高到了2.8%,该测量精度略好于加速器中微子的测量精度,为世界最精确的测量。

“中微子振荡现象是指一种中微子在飞行中可以转化为另一种中微子。中微子振荡表明中微子有微小的质量,是超出粒子物理标准模型的目前唯一的实验证据。”王贻芳院士表示,对应于第三种振荡模式的混合角θ13,其大小可以为未来中微子研究指明道路,也与宇宙起源中的“反物质消失之谜”相关,具有重大科学意义。

据悉,大亚湾方案提出之初,中微子研究面临激烈的国际竞争,俄罗斯、法国、美国、日本、巴西和韩国等7个国家相继提出8个测量θ13的实验方案,最终3个得以实施,包括韩国的RENO实验和法国的Double Chooz实验。大亚湾实验的精度为国际上最高,美国能源部因此放弃自己的2个方案,转而加入中国的大亚湾实验。

为下一代中微子实验铺路

谈及中微子研究的科学意义,王贻芳院士表示,“做科学研究,特别是做基础科学研究,关心的是研究对象背后的物理规律,光是发现它没有解决根本问题。相对来说,中微子是比较复杂的研究对象。”他指出,“中微子本身很重要,一是数量很多,宇宙当中每立方厘米就有300个;二是中微子是否有质量,对粒子物理和宇宙学有巨大的影响。今天大家能够坐在这里就是因为中微子有一点点小的质量,如果中微子质量完全为零的话,宇宙当中不可能存在任何结构,也就没有星系团、银河系、太阳和地球,宇宙就会是一个绝对均匀、没有涟漪的“死区”。”

“中微子有很多我们不了解的性质,绝对质量是多少不知道,还有一些其他的性质都不知道。” 王贻芳院士说,“在12种基本费米子当中,只有中微子我们了解得最少,最不清楚,同时它也最轻。所有的粒子在各种各样的相互作用(衰变)等等都会产生中微子,它就变得最基本、最重要。”

“大亚湾实验使我们对物质世界的基本规律有了新的认识,为下一代中微子实验指明了方向。新一代的中微子实验研究瞄准质量顺序和CP相位角两大热点问题。”王贻芳院士如是说。中国的江门实验、法国在地中海的 ORCA 实验,美国的 DUNE 实验、日本的超级神冈实验等多个新实验被批准。

江门中微子实验将揭开质量顺序的谜底

据悉,江门中微子实验是继大亚湾中微子实验之后,由我国主持的第二个大型中微子实验,已开始建设。实验将建造世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器,首要科学目标是确定中微子质量顺序,并将进行超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、大气中微子、惰性中微子等多项国际领先的交叉前沿研究。目前研制工作取得多项关键进展,逐个破解了极具挑战性的技术难题,特别是国产光电倍增管打破国际垄断、实现量产。

王贻芳院士强调,“中国过去都是参加别人的大型实验,不能永远参加别人的,如果要做到引领,总要有一些自己发起让别人参加的项目,否则谈不上引领。这一步从小到大的发起、组织、管理、吸引的过程是避免不了的。大亚湾实验是一个开端,江门中微子实验规模更大,目标就是使中国真正能够在国际科学界成为大家认可的、学术界领先的国家,成为一个好的领导者,让大家跟着我们一起做。当然,我们也会积极参与合作,也成为国际科学界很好的参与者。”

针对“为什么不对大亚湾实验改造升级,而选择退役,另外建设江门中微子实验”的疑问,王贻芳院士解释说,“大亚湾实验的科学目标是测量θ13。即使继续运行,不会提高精度,因为受整个设备仪器的误差所限制。这个误差是一开始设计建造就决定了的。过去我们能够提高精度,是通过积累数据,提高数据量。到一定程度,仪器设备的误差变得最大以后,数据的积累对它没有帮助,继续运行下去没有任何意义。”他进一步解释说,“江门中微子实验从人员队伍、学术发展来说是有一个传承,但是它的科学目标(与大亚湾实验)是完全不一样的,所以不是在原址做升级,而是要做的完全不一样的事,要选完全不一样的地方。江门实验目标是确定中微子质量顺序,需要探测器距离反应堆53公里,大亚湾只有1.6公里,大亚湾显然是不能满足这一科学目标的。”江门中微子实验预期2022年完成建设,在不远的将来,它将揭开中微子质量顺序的谜底。

此外,王贻芳院士认为,大亚湾实验培养了一批具有国际水平的青年骨干,造就了一支优秀的研究队伍,特别值得一提的是不少创新思想都是来自青年科学家。王贻芳院士介绍说,2016年度国际纯粹物理与应用物理联合会(IUPAP)粒子物理领域的青年科学家奖授予了中科院高能物理所青年科学家温良剑,这是该奖项第一次颁发给中国大陆的粒子物理学家。“这些青年人才将在江门中微子实验中发挥重要作用。”王贻芳院士表示。


        12月12日上午,大亚湾反应堆中微子实验退役仪式在实验站现场举行。 中国网 王振红摄

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