中微子探測器

圖為此次中微子實驗地大亞灣核電站。

　　近日，位於廣東大亞灣核電站的兩個中微子探測器開始「收穫」——探測到來自核電站反應堆群的中微子。這標誌著大亞灣國際合作組對中微子第三種振蕩模式的測量邁出了第一步，實驗結果很可能會對宇宙中為什麼物質多於反物質提供線索。

　　揭秘「中微子」

　　說到中微子，我們的目光需回到1930年—1945年諾貝爾物理學獎得主泡利在那一年預言了中微子存在。

　　「我做了件很糟糕的事。我預言了一種無法測到的粒子。」泡利所提到的這種「無法測到的粒子」，在1933年被義大利著名物理學家、1938年諾貝爾獎物理學獎得主費米正式命名為中微子。

　　根據現代粒子物理學，構成物質世界的最基本單元是夸克和輕子。其中包括6種夸克和6種輕子。輕子包括3種帶電輕子：e(電子)、μ子、τ子，以及3種中微子即電子中微子、μ中微子、τ中微子。

　　「在地球1平方厘米表面上，也就是指甲蓋大小，每秒就會落下約600億個來自太陽的中微子。每秒無數中微子穿過一個人身體，但不會發生作用。對它來說，人基本上是空的。」大亞灣反應堆中微子實驗項目工程副經理、中科院高能物理研究所研究員曹俊說。

　　「如果沒有中微子，太陽不會發光，不會有比氫更複雜的原子，沒有碳、氧、水、空氣，沒有地球，沒有月亮，沒有人類，也沒有宇宙。」曹俊說，中微子不僅在微觀世界最基本的規律中起著重要作用，而且與宇宙的起源和演化有關，例如宇宙中物質與反物質的不對稱很有可能是由中微子造成的。

　　但中微子非常輕、不帶電、幾乎不與物質發生相互作用，難以捕捉，被稱為鬼粒子，所以，這個概念被提出26年後的1956年，科學家才在實驗室中第一次觀測到這種神秘粒子。

　　諾貝爾物理學獎分外青睞中微子研究領域。1988年，美國科學家萊德曼、舒瓦茨和斯坦伯格，因為發現第二種中微子——μ中微子而獲諾貝爾獎；1995年，美國科學家萊因斯，因為1956年在實驗中首次觀測到中微子，而與τ子的發現者分享了這一殊榮；2002年，美國科學家戴維斯和日本科學家小柴昌俊因發現太陽中微子失蹤現象以及觀測到超新星中微子而獲諾貝爾獎。

為什麼會是大亞灣？

　　科學家研究發現，太陽中微子（電子中微子）和大氣中微子中的μ中微子在傳輸過程中，觀測值往往是理論值的三分之一到一半左右。這種「失蹤」現象實際上是一種中微子轉換成了無法探測到的另一種中微子，這種轉換被稱為「味振蕩」。

　　目前，決定振蕩過程的振蕩參數矩陣6個參數中的4個，都已得到。而此試驗項目瞄準了第5個重要參數——θ13混合角。「其數值大小決定了未來中微子物理研究的發展方向，並且與宇宙中『反物質消失之謎』有關。」曹俊說。

　　由於科學意義重大，國際上曾先後提出了8個實驗方案。由我國科學家提出的大亞灣實驗方案得到了包括美國能源部的廣泛支持，該實驗成為中美在基礎研究領域規模最大的合作之一，也是美國能源部在國外投資第二大的粒子物理實驗項目。

　　為什麼要選擇大亞灣建立實驗室？據曹俊介紹，大亞灣實驗地理位置優越，緊鄰世界上最大的核反應堆群之一，並且緊鄰高山，非常適合對θ13進行精確測量。它通過8個全同的探測器來獲取數據，探測器放置在附近山底下的3個地下實驗大廳中。

　　距大亞灣反應堆360米的一號實驗大廳最早開始投入運行；距嶺澳反應堆約500米的二號大廳今年秋天將開始運行，最遠的三號大廳，離核反應堆群約兩公里，也會在2012年開始取數工作。

　　此外，實驗大廳位於深山底下，以屏蔽宇宙線，同時，探測器放置在水池中，以屏蔽周圍岩石層的放射性。儘管有這些屏蔽，一些高能量的宇宙線依然可以穿山而入。這時，裝在水池牆上的光電倍增管和水池頂上的μ子探測器會記錄下這些宇宙線的軌跡，並將其排除出中微子數據。

　　「從大亞灣獲取的第一批數據使我們可以開始測量這個未知混合角，並最終將振蕩幅度測量至1%的精度以內。」來自美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的大亞灣合作組發言人陸錦標說，「這個精度比現在的測量結果高出一個數量級，而且遠比正在進行的其它實驗精確得多。實驗結果將對解釋中微子在宇宙大爆炸後最早的一段時期內基本物質的演化，以及為什麼今天宇宙中物質比反物質更多，做出重大貢獻。」

能否揭開反物質消失之謎？

　　根據大爆炸理論和粒子物理理論，宇宙起源於大約137億年前的一次大爆炸。在宇宙誕生之初，能量轉化為同樣多的正物質與反物質，這兩種物質相遇會發生劇烈爆炸，轉化為能量，並歸於湮滅。「可是目前宇宙中的天體均為正物質，沒有發現反物質天體，也沒有觀測到正反物質相遇時發生的猛烈爆炸。人們推測是正反物質衰變率的微小差別，使正物質多於反物質。」曹俊告訴記者。

　　他進一步解釋道，實驗中就是去探測粒子的CP破壞現象。CP破壞程度越大，正物質衰變率與反物質衰變率相差越大。在基本粒子的夸克部分首先觀察到了CP破壞現象，但上千名科學家經過10年研究得出一致的結論：測量結果與宇宙中物質的實際結果差了100億倍，破壞程度遠不足以解釋為什麼現在還有這麼多正物質存在。

　　「中微子振蕩現象的發現為解開正反物質之謎帶來了新的希望，其參數矩陣中的最後一個參數——CP相位角或許將最終揭開謎底。」曹俊說，「如果CP相位角是零的話，那就意味著物質與反物質的衰變速度是一樣的，即現在物質和反物質還應該是一樣多，反物質必然隱藏在我們尚未找到的某個地方。如果不為零，反物質很可能已經衰變掉了，我們再也沒有可能找到『反物質世界』了。」

　　然而，要測量第6個參數——CP相位角，除了已經測量完成的4個參數之外，第5個參數——θ13數值的測量將是繞不過去的一個坎。「如果θ13混合角數值大於0.01，那麼我們揭開『反物質丟失之謎』僅剩最後一個參數。如果這一數值小於0.01，那麼最後一個參數將難以測量。」曹俊說。