攀登者｜大亚湾中微子装置：揭开中微子的第三种振荡

科研人员正在做科学实验。

深圳大亚湾核反应堆群的360米外，百米高的花岗岩山体腹中，藏着中国迄今最成功的粒子物理实验装置之一——大亚湾中微子装置。

也是在这个距离大亚湾核电站仅360米的山体里，坚守着一群科学家，他们奋斗在粒子物理研究的最前沿。他们研究的对象是物质世界最基本的粒子之一——中微子；他们要做的是揭开中微子最后一个未被破解的振荡模式，这是全世界高能物理学家都想解开的谜。

经过近10年的不懈努力，大亚湾中微子实验取得重大成果——在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式，引起世界瞩目，并被国际科学界认为是物理学上具有基础意义的一项重大成就。《科学》杂志网站公开表示，大亚湾实验装置“可以说是中国有史以来最重要的物理学成果”。

挑战世界科学最前沿

2003年，留学美国从事中微子实验工作的曹俊想回国发展。但当时，国内只有中微子理论研究，实验研究几乎空白。如果回国，曹俊很可能变得“英雄无用武之地”。

直到一天，他接到了来自中科院高能物理所现任所长王贻芳的电话，让中微子研究展现曙光。很快，在王贻芳的领导下，一支4、5人的团队开启了对大亚湾中微子实验的最初构想。当时，为了测量最后一个未知的中微子混合参数，法国、日本、韩国等都竞相提出实验方案。由中科院高能物理研究所提出的大亚湾中微子实验是其中之一。

“大亚湾实验有得天独厚的优势。”实验项目副经理、高能所研究员杨长根说：“这里邻近大亚湾核电基地反应堆，能获得足够多的中微子，附近的山还可以屏蔽绝大部分宇宙射线的干扰。”

精度高达1%的大亚湾实验方案从全世界8个实验方案中脱颖而出。“当时国际上共有7个国家提出8个方案，最终3个得以实施，大亚湾探测精度最高，数据获取效率位居国际同类装置第一。”项目经理、高能所所长王贻芳回忆。

这项实验得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团的支持，6家单位共同出资1.57亿元人民币，加上美国等其他国家和地区的出资，使其成为我国基础科学领域最大的国际合作项目。 “大亚湾实验开创了国家、地方政府、企业及国际合作共同支持基础研究的先例，是协同创新的重要成果。”高能所原所长陈和生院士说。

成果的论文发表后，国际著名科学杂志和媒体发表报道与评论上百篇。美国《科学》杂志将其评为2012年十大科学突破之一，并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未来，大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”

“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”同时也荣获了2016年度国家自然科学奖一等奖，这个自然科学领域最受瞩目的奖17年来曾9度空缺。“这是国内最高的荣誉，也是对合作组成员极大的鼓舞。”王贻芳说。

唯“快”不破抢占先机

2007年10月，大亚湾反应堆中微子实验开工。2011年8月15日，大亚湾中微子实验1号厅开始取数；2011年11月5日，2号厅开始取数；2011年12月24日，3号厅开始取数，至此大亚湾中微子实验正式运行。

“在实验还没有正式运行前，1号厅就已经产生了很多数据，我们用这些数据‘看懂’了探测器，建立好了分析方法。更早以前，从2010年开始，我们就用模拟软件产生假数据，反复练习，提前为正式的物理分析做准备。”实验项目副经理曹俊说。

大亚湾团队中，有年轻的“90后”，年龄最大的项目总工艺师白景芝已年逾古稀。他们自喻为“一群勤劳的蚂蚁”，工作在没有阳光、阴暗潮湿的隧道，用智慧和劳动建造了一座美丽的科学宫殿。

大亚湾实验距离核反应堆仅360米，深入地下100米，要建5个十几米至二十多米高的地下实验厅、3100米长隧道，难度可想而知。为赶进度，每当一个实验厅挖好，实验组人员便进入同步展开设备安装，新挖好的岩洞内燠热潮湿，进去20分钟就浑身湿透。没有水喝，没有厕所，研究人员、工程技术人员仅凭简单的机械和人力，将5个40吨容积的超大罐子搬进了闪液大厅。每天回到驻地后，大家甚至累得只能躺着洗个凉水澡。

为了与国际同行“赛跑”，2011年9月，科研人员果断改变原来的实验方案，“变阵提速”，将实验分为两个阶段。在紧张的数据分析冲刺阶段，一个由“70后”带领的，由“80后”和“90后”组成的年轻团队日夜拼搏，完成了实验数据的获取、修正、分析等，终于赢得先机。

2012年2月，正式运行后的第二个月，科研人员发现了中微子的第三种振荡。3月8日，成果发布，比韩国RENO实验快了25天。

中国制造凭实力赢得尊重

大亚湾国际合作组由来世界各地的39个研究机构、200余名研究人员组成。大亚湾中微子实验由中国和美国共同领导，其中中方研究人员来自中科院、清华大学、上海交通大学、山东大学、中国原子能研究院等多家单位。美方的参与人员来自伯克利国家实验室、布鲁克海文国家实验室、加州理工学院等16家世界一流的科研院所，阵容堪称豪华。

“高能物理的国际合作内部竞争非常激烈，没实力就变成光掏钱没有话语权。”曹俊说，“中国团队凭实力赢得了尊重。”

王贻芳说，实验设计不是建造一个大的整体探测器以提高精度，而是做成几个小的、模块化的探测器，这是中国人的首创。它不仅便于实验中探测器的远近点交换，而且也减小了探测器的体积，可使隧道截面不至于过大，便于安装。王贻芳介绍，大亚湾实验“以我为主”体现在三个方面，一是实验方案全部采取了中科院高能所的设计方案；二是在项目建设中，牢牢地把关键技术掌握在自己手中；三是完整独立地掌握了实验数据全部分析过程，最终发表的文章中采用的也是高能所的结果。

项目建设过程中，中国科学家解决了多模块探测器设计、水屏蔽设计、反射板设计等大量技术难题，以出色的工作赢得了国际同行的认可和尊重。“高能所提出了独到的实验方案，实验设计指标和精度国际最高。”王贻芳说，同一实验厅放置2-4个全同探测器进行对比测量的方案，中方曾与美国合作者发生过激烈争论，实验数据后来证实了中国方案的有效。

优质工程让大亚湾在国际科学竞赛中率先撞线。“我们的声音越来越被重视。”曹俊说，“当项目开始并取得良好进展后，我们收到粒子物理国际学术会议的大会报告邀请显著增加，甚至明显感到国际同行对我们的态度完全不一样了。”

高能物理研究需要更广泛国际合作

无论是王贻芳还是曹俊，经常会被问到这样的问题：“项目刚开始运行2个多月就发现了第三种振荡，之后你们还干了些什么？”每每遇到这样的问题，这两位科学家总会显得有点“执拗”。“当时的成果，一方面回答了中微子第三种振荡是否存在，另一方面报告了这个振荡有多大。第一个问题已经完全解决，但是振荡的大小还需要不断提高测量精度。”曹俊说。

从2012年至今，大亚湾中微子实验的精度从此前的20%提高到了4%。

“这是自然界的一个基本参数，它的大小对几乎所有的中微子研究都有影响，我们希望这个项目运行到2020年，进一步提高精度，将实验装置的潜力充分发挥出来。”在曹俊看来，精度越高，能发现的内容就越多，或许就差那么一点点，就会错失认识世界的机会。“另外，我们已经测得了最精确的反应堆中微子能谱，发现与理论预期存在两处偏差，这也是一个非常重要的成果，需要进一步研究。”

除了大亚湾中微子实验继续提高精度外，王贻芳正在主持的我国第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验已经开建，预计在2020年进行取数工作。

“江门中微子实验将致力于测量中微子的质量顺序，并进一步精确测量中微子混合参数，其土建工程规模约是大亚湾反应堆中微子实验项目的3至5倍。” 王贻芳透露，目前江门中微子实验建设阶段性进展顺利，多项重要技术方案已经确定。

“关起门来做科研是不行的。”王贻芳说，大亚湾中微子实验和北京谱仪，已经让中国高能物理在国际上能站得住脚，要使科学研究更有影响力，避免研究团队“近亲繁殖”，中国高能物理领域还需走向更广泛的国际合作。

科普介绍

大亚湾发现中微子第三种变化

中微子来自核反应堆、太阳、超新星、地球内核等处，携带着暗物质和天体的秘密。它们是基本粒子中的“隐士”，质量小，不带电，几乎不与任何粒子反应。只有大亚湾装置这样包含海量粒子的探测器，才能侥幸拦下来几个中微子。

中微子分三种：电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——一种类型变成另一种。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种已在大气中微子和太阳中微子实验中找到。

大亚湾实验是对第三种振荡模式的测量。这种振荡中，主要由电子中微子组成的“大队人马”，在行军路上变成了主要由τ中微子组成的团队。θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。

中广核资助3500万元支持项目研究

大亚湾中微子实验工程选址位于大亚湾核电站后方的排牙山山体中的地下空间，距排牙山山体表面深100米至300米不等。项目包括2个近端探测器实验厅、1个远端探测器实验厅、1个中部实验厅、1个液闪灌装厅以及连接各实验厅的隧道及洞外配套工程。

在排牙山脚下，记者坐上了电瓶车，开启了奇妙的中微子之旅。一条长长的隧道向山中延伸而去，仿佛在时光隧道中穿行。这条隧道的施工长达3年，而其施工难度也非同一般。

中微子实验室位于中广核大亚湾核电基地内，虽然由中科院牵头主导，但中广核在这个项目中也默默贡献了不少力量。中广核在2006年9月与中科院签约开展合作后，便正式参与到这个世界级的物理研究项目。

中广核研究院副总经理孙吉良介绍，大亚湾中微子实验位于大亚湾核电基地的山洞内。中微子在自然界极难捕捉到，而大亚湾核电基地有6台百万千瓦的核电机组，是世界上最大的核反应堆群之一，为实验提供了较为丰富的中微子源；此外，大亚湾核电基地紧邻高山，可以屏蔽宇宙射线的干扰。

据孙吉良介绍，当时中微子实验室的建设首先面临资金不足的问题，整个实验需要资金2.3亿元，尽管获得了科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院的大力支持，但仍然有很大的缺口。

大亚湾中微子实验是一个具有重大科学意义的基础科学前沿的研究项目，但中微子实验得出的结果并不会对核电站的运营产生任何利益。在反复讨论后，中广核决定，积极支持国家基础科学研究，为中国的科学事业尽自己的一份力量。2008年1月28日，中广核与中国科学院签订大亚湾反应堆中微子实验合作协议，支持项目研究经费3500万元，并于当年完成支付，占该项目总投资的15%。

“这笔费用占到了当年中广核科研费用的90%以上，也由此开创了企业资助国家大型基础科学研究的先例。”孙吉良表示，广东省政府及深圳市政府也分别给予该项目大量资金支持，中微子实验的资金问题顺利解决。

编辑 桂桐