王贻芳透露中微子实验更大野心:规模比现在大100倍!

作者: 左文文 许灏

来源: 赛先生

发布日期: 2015-11-11 09:06:53

中国科学家王贻芳透露,正在建设的江门中微子实验(JUNO)的规模比大亚湾大100倍,预计2020年完成建设开始运行。该实验将确定中微子质量顺序,精确测量6个中微子混合参数中的3个;研究超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等。

刚刚代表团队领取科学界第一巨奖——突破奖的中国科学家王贻芳,在接受《赛先生》采访时透露了他们接下来的目标和野心:正在建设的江门中微子实验(JUNO)的规模比大亚湾大100倍,预计2020年完成建设开始运行。该实验将确定中微子质量顺序,精确测量6个中微子混合参数中的3个;研究超新星中微子、地球中微子、太阳中微子等。

对媒向来对媒体寡言少语的王贻芳一如既往的谈定,接受《赛先生》采访时,他轻描淡写的说:“这(突破奖)是对我们过去十几年努力的认可与奖励,希望能鼓励后来者更加努力。”2012年3月8日,大亚湾中微子实验国际合作组宣布,中国科学家主导的大亚湾实验发现了新的中微子振荡模式。他们通过实验和数据分析计算,得到了theta13不为0的置信度高达5.2倍标准差。

这一成果当年被美国《科学杂志》评选为2012年度十大科学突破,评价为“如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子,那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”今年9月11日,大亚湾国际合作组在《物理评论快报》发表了中微子测量的最新结果,将中微子混合角Theta(13)和中微子质量平方差的测量精度都提高了近一倍,目前为世界上最高精度。

预计到2017年底,中微子振荡参数的测量精度将进一步提高。

王贻芳告诉《赛先生》,2006年就开始的这一实验经历了很多困难,其中最为艰难的是临近核电站的隧道建设(爆破、安全管理等);掺钆液体闪烁体的研制(配方、生产设备及工艺研发、批量生产与质量控制等);中微子探测器的研制与装配;数据分析等。他说,在中国做类似的实验,和在国外相比,优势是组织管理强,各级政府的支持力度大,劣势是技术基础薄弱,工业界的支持不够。

大亚湾中微子实验是一个国际合作实验,成立于2006年,包括来自于世界7个国家和地区的40个单位,主要由中国人构成,其中主力来自于中国科学院高能物理研究所。其次是位于长岛的布鲁克海文国立实验室。中方和美方的负责人分别是现任高能物理研究所所长王贻芳和美国伯克利国家实验室陆锦标教授。理论上,三种中微子之间相互振荡,两两组合,应该有三种模式。

中微子的前两种振荡模式即“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”已被实验证实,发现者已分别获得2002年和2015年诺贝尔奖。第三种振荡则在2012年,由王贻芳领导的大亚湾中微子实验完成了高置信度的确认。中微子第三种振荡模式的发现,为进一步测量中微子质量顺序和“CP破坏”打开了大门,物理意义非常关键。19世纪末,人们发现了放射性:原子核会发生衰变。

其中有一种衰变,叫beta衰变,会发射出beta射线,也就是电子。人们经过仔细测量后发现一个奇怪的现象,就是同一种核产生的beta衰变电子能量不是一个固定值。为了解释这一现象,当时有两种猜想:玻尔猜想也许在beta衰变中能量不守恒,泡利则猜想也许在beta衰变中除了电子外还产生了另一种没有被观测到的粒子。泡利把这种粒子称为“中子”(neutron),也就是中性(不带电荷)粒子的意思。

不过因为这个名字与我们熟知的中子相冲突,所以后来费米把它改名为中微子(neutrino),“-ino”是意大利语中“小”的词根。中微子就是“小的中子”。中微子是一种不带电的、仅参与弱相互作用的粒子。

1942年,我国著名科学家王淦昌先生提出了用beta俘获探测中微子,但直到1956年,Clyde L. Cowan 和 Frederick Reines才用核反应堆作为中微子源探测到了中微子,他们因这一工作于1995年获得了诺贝尔奖。中微子不只一个味,中微子共有电子中微子、mu子中微子和tau子中微子三种味。

Leon M. Lederman, Melvin Schwartz和Jack Steinberger利用质子加速器发现了mu子中微子,用实验证明了存在不同“味道”的中微子,也就是每一种带电的轻子有一种与之对应的中微子,与电子对应的叫电子中微子,与mu子对应的叫mu子中微子。他们于1988年获得了诺贝尔物理学奖。后来,科学家们发现tau子应该也有其对应的tau子中微子。

中微子会由一种“味道”变成另一种“味道”,比如由电子中微子变成mu子中微子,但这种变化不是永久的,过一段时间后又变回来,好像钟摆会摆来摆去一样,所以叫中微子振荡。中微子振荡是意大利物理学家Bruno Pontecorvo(1913-1993)于1957年提出的。

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