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大亚湾探微

2007年11月14日 09:49 来源于 caijing
预计于2010年底开始运行的大亚湾反应堆中微子实验项目,或将帮助科学家揭开宇宙中反物质“失踪”之谜

预计于2010年底开始运行的大亚湾反应堆中微子实验项目,或将帮助科学家揭开宇宙中反物质“失踪”之谜
 
  自10月13日由中国科学院高能物理研究所主持的大亚湾反应堆中微子实验项目正式破土动工以来,大亚湾西北部的排牙山就成了全世界物理学界关注的焦点。
  在深圳市区向东约四五十公里,静谧的大鹏半岛东部,坐落着两座庞大的核电站——总装机容量各为200万千瓦的大亚湾核电站以及岭澳核电站。大亚湾核电站居南,岭澳核电站靠东北,两个核电站相距1公里左右,分别拥有两个百万千瓦的反应堆。  如果加上正在施工的二期项目,到2011年,岭澳核电站将新增两座百万千瓦的反应堆,从而使得这一区域的总装机容量达到600万千瓦。
  站在大亚湾核电站的观景台上,这四座反应堆灰白色的保护外壳赫然在目,在其内部,每时每刻都在产生巨大的能量。整个香港地区四分之一以及广东省十分之一的电力供应,都依赖于这里。
  除了强大的电力,反应堆同时产生的,还有很多人类尚没有真正了解其性质却蕴涵着宇宙最原始奥秘的众多基本粒子。
  科学家们希望通过探测这两个核电站反应堆在发电时的自然产物——中微子,彻底揭开笼罩在这种神秘粒子身上的“迷雾”。或许这将帮助人类最终了解宇宙的诞生及演变规律。

“三次诺贝尔奖”量级的问题
  时间最早可以追溯到1930年12月4日,在德国图宾根举行的一次研讨会上,与会的人员收到了著名物理学大师、1945年诺贝尔奖物理学奖得主泡利(Wolfgang Pauli)带来的一封信。
  在信中,他“绝望”地假设一种中性的、小质量的粒子存在,因为如果没有这种粒子存在,在β衰变过程中能量将不守恒。而能量守恒,一直被公认为最基本的物理法则。
  β衰变,即中性的中子衰变成带正电的质子和带负电的电子的过程。从20世纪初,科学界就发现一种奇怪的现象,那就是β衰变过程中能量会出现亏损。物理学史上著名的“哥本哈根学派”鼻祖、1922年诺贝尔奖物理学奖得主玻尔(Niels Bohr)据此认为,在β衰变过程中,能量守恒定律很可能是失效的。
  然而,问题在于,如果能量不守恒,整个物理学“大厦”的“基座”都将被颠覆。
  第二年春天举行的国际核物理会议上,泡利试图重新恢复能量守恒,办法是假设中子在衰变过程中,除了生成质子、电子,同时还产生了一种质量很小的中性粒子;正是这种未知粒子带走的能量,导致了能量亏损的出现。1933年,意大利著名物理学家、1938年诺贝尔奖物理学奖得主费米(Enrico Fermi)把带走能量的这个“小偷”,正式命名为中微子(neutrino)。
  根据现代粒子物理的认识,构成我们这个物质世界的最基本粒子为12种费米子(fermion)。其中包括六种夸克(上、下、奇异、粲、底、顶)、三种带电轻子(电子、μ子和τ子)以及三种中微子(电子中微子,μ中微子和τ中微子)。与另外两种基本粒子相比,中微子质量极小,小于电子质量的百万分之一;与最重的顶夸克相比,其质量更是只有前者的万亿分之一。
  由于中微子几乎无所不在,了解这种粒子的真实面目,对于我们了解物质的最终奥秘至关重要。宇宙大爆炸时会产生宇宙背景中微子,超新星爆发时质子和电子合并成中子的过程会产生中微子,太阳这一类恒星上的核反应会产生太阳中微子,高能宇宙线与大气层中原子核发生核反应之后也会衰变成“大气中微子”,更不用说在地球上β衰变产生的中微子了。
  实际上,在地球1平方厘米的地面上,每秒钟就会落下大约600亿个中微子。中科院理论物理所研究员吴岳良对记者说:“每时每刻,都会有大量中微子从我们的身体里穿过,只不过它并不会对人体造成任何伤害,所以无从察觉。”
  由于中微子只参与非常微弱的弱相互作用,即使穿越地球那么厚的物质,发生反应的几率只有一百亿分之一,因此要检测到中微子非常困难。所以,这个概念被提出整整26年后,1956年,科学家才在实验室中第一次观测到这种神秘粒子的存在。
  由于其行踪最为诡秘,所以对中微子的每一点深入了解,几乎都会成为物理学界的轰动性事件。从发现中微子到现在,已经有三次诺贝尔奖物理奖颁发给了这一领域的研究。
  1988年,美国科学家莱德曼(Leon Lederman)、舒瓦茨(Melvin Schwartz)和斯坦伯格(Jack Steinberger),就因为发现第二种中微子——μ中微子而获诺贝尔奖;1995年,美国科学家莱因斯(Frederick Reines)因为1956年在实验中首次观测到中微子,而与τ子的发现者分享了这一殊荣;到了2002年,美国科学家戴维斯(Raymond Davis)和日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)因发现太阳中微子失踪现象以及观测到超新星中微子,再度在这一评选中折桂。
  为了解释太阳中微子和大气中微子在传输过程中,观测值往往是理论值的三分之一到一半左右的“失踪”现象,科学界提出三种中微子(电子中微子、μ中微子以及τ中微子)的设想。根据这一理论,这三种不同“味道”(flavor)的中微子会相互转换,中微子的“失踪”,实际上是一种中微子转换成了无法探测到的另一种中微子,这种转换被称为“味振荡”(flavor oscillation)。
  目前,决定振荡过程的振荡参数矩阵六个参数中的四个都已经得到。而大亚湾反应堆中微子实验项目,则把目光瞄准了第五个重要参数——θ13混合角。
 
目标θ13 
  负责此次试验项目总体设计的中科院高能物理所副所长王贻芳研究员在接受采访时指出,θ13混合角作为第五个参数,它所代表的是电子中微子和τ中微子之间转换的性质。
  大亚湾核电站提供了探测θ13的绝佳场所。因为探测θ13,需要近距离观测能量比较低的中微子。虽然太阳中微子的能量小,但距离太远;大气中微子能量高,通量(单位时间内通过单位面积的粒子总数)也不够。而在距离反应堆2公里左右的地方,探测其产生的中微子,是一个比较好的选择。
  在这里进行这项试验,不仅可以从数个百万千瓦的反应堆获得强大的中微子源,更重要的是,大亚湾核电站的背后,是如牙齿一样横列的群山,最高点排牙山海拔超过了700米。将探测仪器放进山洞之后,其上面绵延的山体,可以有效地屏蔽来自宇宙中其他射线的干扰。即使在全世界范围内,同时具备这两个条件的试验地点,也极为少见。
  在山脚下,记者注意到,已经画出了一个白色的大圆,这就是放置探测器的洞穴入口位置,而整个洞穴将由此深入2000多米。两台挖掘机已经在平整场地准备施工。负责前期基建工作的中科院高能所张浩云研究员对记者表示,在国家核安全局正式下达爆破许可后,就可以开始打洞,整个工期预计将持续22个月。
  在群山腹内,将建设三个实验厅,其中1号、2号厅为近端实验站,3号厅则为远端实验站。
  两个近点探测器分别对大亚湾和岭澳的反应堆进行测量,其中,1号厅内的探测器与大亚湾的两个反应堆的直线距离为360米,2号厅内的探测器与岭澳一期两个反应堆以及二期两个反应堆的直线距离约为500米。3号厅作为远端实验厅,距离大亚湾核水平距离约1900米,距离岭澳二期大约1600米。建成之后,三个实验厅之间将通过隧道相连接。
  根据设计,在三个探测厅里,有八个直径5米、高5米的圆柱形探测器,将被分别浸泡在三个纯净水池中。一旦中微子与探测器中的氢原子核发生作用,就会发射出伽马射线。而利用中微子近端和远端的距离变化,就可以进行中微子振荡的相对测量。
  中科院高能所实验物理中心曹俊研究员说,反应堆平均每次裂变,都会放出六个中微子,预计每天近点探测器可以探测到1000个中微子,远点则为每天80个。之所以数量相差悬殊,是因为探测到的中微子个数,跟距离的平方成反比关系;这样,只要我们知道了近点有多少个中微子,就可以精确地预测远点探测到的中微子个数。而如果远点上观测到的中微子少于预测,就意味着发生了“味振荡”。
  由于每天探测到的中微子数量不会很多,要精确测定它们的性质,需要大量的数据,所以整个试验将持续整整三年时间。
  所谓θ13混合角,指的并不是两种中微子运行路径的夹角,而是两种中微子之间的转换几率。而最终的测量结果,无论大小,很可能都将改变历史。
  早在1928年,英国物理学家、1933年诺贝尔奖物理学奖获得者狄拉克(Paul Dirac)就提出了反物质理论,认为应该存在构成上与物质类似,但是基本粒子带电正好相反的反物质;如果反物质和物质相遇,则立刻湮灭转变为能量。
  之后,人们陆续人工制造出了正电子、反质子等反物质粒子;但是过去近80年的时间里,在人类可观测到的150亿光年宇宙范围内,科学家一直没有发现自然界中有反物质存在的迹象。
  根据目前普遍接受的“大爆炸”(big bang)理论,宇宙在诞生之时,物质与反物质应该是同时产生的。但问题是,反物质现在怎么消失了?这是一个巨大的疑问。可能的答案有两种——反物质现在已经彻底不存在了,或者它仍在别处。
  而中微子振荡参数矩阵中的第六个,也是最后一个参数——CP相位角,或许是揭开最终谜底的一把“金钥匙”。
  王贻芳表示,如果CP相位角是零的话,那就意味着物质与反物质的衰变速度是一样的,即现在物质和反物质还应该是一样多,反物质必然隐藏在我们尚未找到的某个地方。
  “如果不是零,那么就表明两者的衰变速度是不同的;在宇宙诞生近150亿年后的现在,反物质很可能已经衰变掉了,变成了中性的中微子和光子,所以我们再也没有可能找到‘反物质世界’了。”他补充说。
  然而,要测量第六个参数——CP相位角,除了已经测量完成的四个参数,第五个参数——θ13将是一个不可逾越的障碍。只有在对θ13完成测量之后,科学家才能真正明白怎样去测量CP相位角。

探求之路
  当然,按照大亚湾反应堆中微子实验项目的进程,要真正踏上测量CP相位角从而创造新历史的“终极之路”,或许至少还要再等五年。
  参与这个项目的,共有来自中国、美国、俄罗斯、捷克、香港和台湾等六个国家和地区的34家科研单位。其中中国投资1.5亿元人民币,负责基础设施建设和建造一半探测器,美国能源部负责建造另一半探测器。
  对前期的施工来说,首先要考虑的问题,就是如何保证核电站的安全。
  根据核电站核岛安全标准,哪怕外界加速度超过重力加速度的百分之一,核反应就会自动停止,以避免可能的泄露隐患。当然,项目前期已经做了大量的准备,而根据前期爆破试验取得的数据,即使在最近的距离,最大装药量导致的外界加速度也只是安全上限的一半多点。
  “现在开工还要等国家核安全局的最后审批。” 负责前期基建的中科院高能所研究员张浩云对记者表示。正式爆破将从2007年11月20日开始。
  即便如此,为了确保核电站的安全性,在17个半月的隧道开掘过程中,每一炮都要检测,以确定下一次如何爆破。
  除了工程上的挑战,如何在技术上确保获得最高精度的测量结果,对于整个项目的成败也至关重要。
  大亚湾国际合作组成员、美国威斯康星大学卡斯腾黑格尔教授(Karsten Heeger)在接受采访时就表示,探测器的设计和反应堆的功率,将是限制灵敏度的最关键因素。
  据悉,由于大亚湾地理条件最好、设计精度最高,美国能源部已经明确表示将全力支持大亚湾实验。
  黑格尔透露,美国目前已经有14个研究机构参与了大亚湾实验。因为到2011年,岭澳二期工程竣工并投入运行之后,大亚湾周边反应堆总热功率将达到1740万千瓦,是仅次于日本柏崎(Kashiwazaki)的全球第二大近距离反应堆群。
  与大亚湾中微子项目进行竞争的,或许要首推法国休茨(Chooz)中微子实验项目。但由于核电站本身功率较小和探测器设计的系统误差较大(每个探测器只使用8.5吨靶物质,而大亚湾为80吨),其精度只能达到大亚湾的三分之一。
  现在,全世界都在等待是法国还是中国先得到θ13的观测值。根据法国目前的进度,2010年前,能将sin22θ13值精确到0.06;2013年以后,则可以进一步精确到0.03。而中国的实验将从2010年开始,到2013年精度为0.01以下。
  目前,物理学界预计sin22θ13可能在0.01到0.03 左右。如果试验证明这一预测是正确的,则中微子的CP相位角可以测量,或许我们就可以解释反物质“消失”之谜。但如果其数值太小的话,黑格尔指出,则中微子的CP相位角就无法测量;也就是说,目前还无法用中微子和反中微子的行为差异,来解释宇宙中的物质与反物质不对称现象。
  不过,即使“坏的结果”真的发生了,即这个值接近于零,也同样预示着新物理学或一种新的对称性的存在。对于接近物质世界“终极真相”仍然是重大进步。
  “所以不管测到还是没有测到,都非常重要。”中科院高能物理所研究员曹俊对记者强调。

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