大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)3號(hào)實(shí)驗(yàn)廳，位于山腹之中，上面是360米的巖石層。

2020年12月12日，中科院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳在這里的實(shí)驗(yàn)控制屏前按下停止按鈕，并宣布：“大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱“大亞灣實(shí)驗(yàn)”)圓滿完成科學(xué)任務(wù)，正式退役!”

從2011年12月24日大亞灣實(shí)驗(yàn)三個(gè)實(shí)驗(yàn)廳同時(shí)運(yùn)行開始，至此，大亞灣實(shí)驗(yàn)共運(yùn)行了3275天。

首次發(fā)現(xiàn)中微子的第三種振蕩模式

2012年，是大亞灣實(shí)驗(yàn)備受關(guān)注的一年。

這一年3月，王貽芳領(lǐng)銜的大亞灣實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)宣布，歷時(shí)6年的大亞灣實(shí)驗(yàn)取得了重大突破——首次發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，并精確測(cè)量到其振蕩概率。這項(xiàng)成果在國(guó)際高能物理界引起熱烈反響，被譽(yù)為“開啟了未來中微子物理發(fā)展的大門”。

同年底，該成果入選美國(guó)《科學(xué)》雜志2012年度十大科學(xué)突破，此后，王貽芳和團(tuán)隊(duì)獲得了累累殊榮，其中包括被稱為科學(xué)界“第一巨獎(jiǎng)”的基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。

構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子中，中微子就占了1/3，它在宇宙中廣泛存在。由于它幾乎不跟任何物質(zhì)發(fā)生作用，不容易被捕捉到，因此也成為人類迄今為止了解最少的一種基本粒子。

“然而，了解中微子非常重要，對(duì)它的認(rèn)識(shí)和研究將有助于揭開宇宙演變的諸多奧秘。”王貽芳說。

根據(jù)“大爆炸”理論，宇宙在誕生之時(shí)，物質(zhì)與反物質(zhì)應(yīng)該是等量產(chǎn)生的。但在過去的近百年里，人類在可觀測(cè)到的宇宙范圍內(nèi)，一直沒有發(fā)現(xiàn)宇宙中有大量反物質(zhì)存在的跡象。截至目前，科學(xué)家們認(rèn)為，反物質(zhì)已經(jīng)消失了。那反物質(zhì)到底去哪兒了?這是宇宙起源和演化中的一個(gè)重大謎團(tuán)，而中微子振蕩或許是解開這個(gè)謎團(tuán)的鑰匙。

要解開這個(gè)謎團(tuán)，中微子混合參數(shù)θ13數(shù)值的測(cè)量是必須跨越的一步。

王貽芳說：“中微子混合參數(shù)總共有6個(gè)，以前已經(jīng)有3個(gè)半被測(cè)出了。只有對(duì)混合參數(shù)θ13完成測(cè)量之后，科學(xué)家才能進(jìn)行下一步工作。”

2003年冬天，當(dāng)時(shí)還是中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所一名普通研究員的王貽芳注意到，利用反應(yīng)堆中微子來測(cè)θ13已成為國(guó)際熱點(diǎn)，多個(gè)外國(guó)團(tuán)隊(duì)正打算進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)。

“中國(guó)絕不能錯(cuò)失這次機(jī)會(huì)，應(yīng)該積極參與其中。”同年，王貽芳便提出實(shí)驗(yàn)方案，利用我國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆群產(chǎn)生的大量中微子，來尋找中微子的第三種振蕩，并和同事們?cè)O(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)裝置。此后，經(jīng)過多方奔走呼吁，2006年，大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獲準(zhǔn)立項(xiàng)，成為當(dāng)時(shí)我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域最大的國(guó)際合作項(xiàng)目。

要捕捉到來無影去無蹤的中微子，探測(cè)器要足夠大和足夠靈敏，同時(shí)還必須不被宇宙線影響。因此，世界各國(guó)的中微子探測(cè)器大多建在地下，用厚重的巖層來屏蔽宇宙中各種高能粒子的影響。大亞灣實(shí)驗(yàn)也不例外，3個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳，均位于山腹內(nèi)，由水平隧道相連，上面是厚達(dá)幾百米的巖石層。

由于絕佳的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，起初并不被國(guó)內(nèi)外同行看好的王貽芳團(tuán)隊(duì)，在大亞灣實(shí)驗(yàn)建成運(yùn)行后，僅用了55天時(shí)間，便發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式，并精確測(cè)量了混合參數(shù)θ13。

此后，大亞灣實(shí)驗(yàn)基于持續(xù)累積的統(tǒng)計(jì)量和分析技術(shù)的改進(jìn)，不斷更新θ13的測(cè)量結(jié)果，一直保持世界最高精度。

“在可以預(yù)見的未來，大亞灣實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度也不會(huì)被其他實(shí)驗(yàn)超越。”王貽芳篤定地說。

為何要在此時(shí)選擇退役

運(yùn)行近十年，大亞灣實(shí)驗(yàn)碩果累累。

2013年，完成了中微子能譜分析研究，進(jìn)而首次直接測(cè)量了與反應(yīng)堆中微子振蕩相關(guān)的質(zhì)量平方差。

2016年，精確測(cè)量了反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論模型存在兩種偏差……

在外界看來，成果頻出的大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目正當(dāng)壯年。為何要在此時(shí)按下停止鍵?

對(duì)此，王貽芳的回答是：“以前設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)已經(jīng)都實(shí)現(xiàn)了，繼續(xù)運(yùn)行很大程度上是為了提高測(cè)量精度，但如果精度不能再進(jìn)一步提高，繼續(xù)運(yùn)行就沒有任何意義。”

大亞灣實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案在2003年就提出了，距今已有17年。

“當(dāng)年設(shè)計(jì)時(shí)，我們就是按當(dāng)時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的最高精度來設(shè)計(jì)的。今天如果讓我們?cè)僦匦略O(shè)計(jì)，仍然無法做到再提高精度，因?yàn)橐呀?jīng)到極限了。”王貽芳說。

除了一系列重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)外，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)還為我國(guó)培養(yǎng)了一大批青年科研人才。中科院高能物理研究所研究員溫良劍就是其中之一，12月12日這天，他也在儀式現(xiàn)場(chǎng)，和大家一起見證了大亞灣實(shí)驗(yàn)的退役時(shí)刻。

當(dāng)裝有探測(cè)器的水池蓋完全打開后，溫良劍為觀看直播的觀眾講解了探測(cè)器捕獲中微子的過程。

“水池中的4個(gè)圓柱形鋼罐，就是探測(cè)中微子的中心探測(cè)器，每個(gè)直徑5米，高5米，里面裝有液體閃爍體，重110噸。”溫良劍說，“中微子在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后能夠激發(fā)液體閃爍體，產(chǎn)生微弱的閃爍光。光電倍增管探測(cè)到閃爍光，將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣我們就探測(cè)到了中微子。”

這樣裝有探測(cè)器的水池，在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)室總共有3個(gè)，打開其中之一的蓋子僅僅是完成了實(shí)驗(yàn)裝置撤除的第一步。

中科院高能物理研究所研究員曹俊介紹：“在接下來的6個(gè)月中，我們將把純凈水放空，然后把每個(gè)中心探測(cè)器打開，一層層撤除里面的部件。有些器件將會(huì)被其他實(shí)驗(yàn)再利用，比如正在建設(shè)中的江門中微子實(shí)驗(yàn)等，有些部件和材料則會(huì)進(jìn)行無害化處理。”

此外，1號(hào)實(shí)驗(yàn)廳將被改造成大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的科普展館，繼續(xù)供大家參觀。

溫良劍說：“實(shí)驗(yàn)雖然停止運(yùn)行了，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)物理分析還要做兩到三年左右，后續(xù)幾年還會(huì)有重要成果陸續(xù)出來。”

新實(shí)驗(yàn)瞄準(zhǔn)“中微子質(zhì)量順序測(cè)量”

就在大亞灣實(shí)驗(yàn)宣布退役之際，同在廣東省的江門中微子實(shí)驗(yàn)(以下簡(jiǎn)稱江門實(shí)驗(yàn))正在如火如荼的建設(shè)當(dāng)中。

在江門市西南部的打石山中，大亞灣實(shí)驗(yàn)原團(tuán)隊(duì)打算造一個(gè)全世界最大的液體閃爍體探測(cè)器來繼續(xù)捕捉中微子。這個(gè)探測(cè)器的主體是一個(gè)12層樓高的有機(jī)玻璃球，里面盛裝2萬噸液體閃爍體。這是迄今為止中國(guó)最復(fù)雜的高能物理實(shí)驗(yàn)裝置，預(yù)計(jì)2022年建成。

“與當(dāng)前最好的國(guó)際同類設(shè)備相比，它的規(guī)模要大20倍，分辨率提高一倍。”王貽芳說。

大亞灣實(shí)驗(yàn)結(jié)果公布之后，中微子質(zhì)量順序測(cè)量成為下一步的研究熱點(diǎn)，美國(guó)、日本、印度等國(guó)家逐漸明確了下一步的計(jì)劃。

這一方向，王貽芳團(tuán)隊(duì)也早有謀劃。

“中微子質(zhì)量順序測(cè)量的實(shí)驗(yàn)?zāi)懿荒茏?，取決于一個(gè)前提，即中微子第三種振蕩的幾率一定要夠大。”

后來，大亞灣實(shí)驗(yàn)測(cè)到了中微子第三種振蕩，振蕩幾率大小為9.2%。這一結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過他們的期待值。團(tuán)隊(duì)科研人員心里有底了：“后續(xù)的中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)茏?”

最終，實(shí)驗(yàn)選址廣東江門，距陽(yáng)江和臺(tái)山反應(yīng)堆群分別約53公里。

不少人認(rèn)為，江門實(shí)驗(yàn)只是大亞灣實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單的“增大”版。

對(duì)此，王貽芳特別解釋和強(qiáng)調(diào)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)雖然都是研究中微子，但具體科學(xué)目標(biāo)完全不同。大亞灣實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的中微子來測(cè)定中微子第三種振蕩模式，而江門實(shí)驗(yàn)是要實(shí)現(xiàn)對(duì)中微子質(zhì)量順序和中微子振蕩參數(shù)的精確測(cè)量。

“中微子的質(zhì)量是自然界的基本參數(shù)，影響宇宙的演化進(jìn)程。知道了質(zhì)量順序，可以為確定中微子質(zhì)量和其他研究鋪路。”王貽芳說。

6個(gè)月后，大亞灣實(shí)驗(yàn)將徹底完成拆除，結(jié)束使命，而新的江門實(shí)驗(yàn)即將準(zhǔn)備就緒。從大亞灣實(shí)驗(yàn)到江門實(shí)驗(yàn)，中國(guó)高能物理科學(xué)家們一直在向更高的精度挑戰(zhàn)。在他們看來，精度越高，能夠發(fā)現(xiàn)的東西就越多，對(duì)世界的認(rèn)知就越深入。

關(guān)鍵詞： 中微子實(shí)驗(yàn)