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[上海政府网]大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡

日期:2012-03-08 阅读:1234

3月8日下午,大亚湾中微子实验国际合作组对外宣布,以中国为主导,美国科学家大规模参与的大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡几率。这标志着人类在破解宇宙中“反物质之迷”的路上又迈出决定性步伐。

大亚湾中微子实验室主要是由中国科学院高能物理研究所负责建设的。这个大型实验由多个中美合作团队协作进行。上海交大刘江来中微子团队承担着刻度系统的安装、调试、取数和物理分析工作,就是设计一把“刻度尺”,帮助测量出新的中微子振荡几率,为这一世界性成果做出了关键性贡献。

为了解释该项成果的意义,上海交通大学物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东教授告诉记者:“大亚湾实验发现了电子中微子震荡的新模式,这种模式的发现对了解为什么在物质远远多于反物质,对解释太阳系中元素的丰度有极其重要的作用。在我们所观察到的宇宙中,物质占主要地位, 但为什么如此,到现在还没有一个合理的解释,大亚湾实验的结果打开了一扇大门。”

开启“反物质之谜”的钥匙

中微子是一种不带电,质量极其微小的基本粒子,共有三种类型,即电子中微子、μ中微子和τ中微子,在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中,占了四分之一,在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。太阳在发光的同时,也放射出大量的中微子;每秒钟,有上百万个太阳中微子自由的穿透我们的身体。中微子有一个特殊的“脾性”,那就是它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型。这就是专家们所说的“中微子振荡”。

对中微子三种类型进行转换的排列组合,可以搭配出三种模式。在物理学领域,“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”便是由两对不同类型的中微子振荡产生的。其中电子中微子与μ中微子组合产生“太阳中微子之谜”;而μ中微子和τ中微子振荡则产生“大气中微子之谜”。然而,电子中微子和τ中微子的振荡一直未被发现,甚至有理论预言其根本不存在,即其振荡几率为零。

是否存在中微子的第三种振荡?如何存在,又如何将其测出?物理学家一直在思考这一问题。2003年,有专家提出设想,利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻找中微子的这第三种振荡,其振荡几率用 sin22q13表示。季向东教授表示,“中微子的q13是中微子振荡参数当中,人们迄今为止了解最少的一个基本参数。大亚湾实验对于q13的测量结果,完善了人们对中微子基本性质的了解,并且为测量中微子CP破坏提供了可能,继而可能解释宇宙当中的正反物质之谜,即宇宙中“反物质消失之谜”。q13结果直接决定了下一代中微子实验的设计方向。”

季向东教授还表示,中微子的大幅震荡为一种流行的正反物质不对称的解释——-轻子辅助起源论——-提供了重要的基础。此外,地球上大多数重元素如金和银的合成认为在超新星爆炸中产生的,在这个极其剧烈动荡的环境中,大亚湾发现的这种中微子震荡对元素合成的机制和丰度起到决定性的影响。

据了解,用反应堆中微子测量q13,国际上在2003年左右先后有7个国家提出了8个实验方案,最终进入建设阶段的共有3个,包括中国的大亚湾实验,法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。大亚湾实验率先在2010年12月完成核电站附近的全部爆破任务,2011年中逐步完成了探测器的建造与安装,2011年8月开始近点取数,12月24日开始远近点同时运行。

科研人员将实验分为两个阶段,这次报告的结果就来自第一阶段的数据,自2011年12月24日起至2012年2月17日结束,只用了6个中微子探测器,其中2个在大亚湾近厅,一个在岭澳近厅,3个在远厅。经过夜以继日的努力,完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明,sin22q13为9.2%,误差为1.7%,以超过5倍的标准偏差确定sin22q13不为零,首次发现了这种新的中微子振荡模式。

“刻度尺”帮助测出振荡几率

上海交大中微子团队以刘江来特别研究员和李高嵩、顾文强两位博士研究生组成。刘江来是大亚湾中微子实验国际合作组决策委员会成员,刻度系统总负责人和物理分析数据质量负责人。在实验中,刘江来团队参加了实验安装、调试、取数和物理分析各阶段工作,出色地完成各项任务,为取得这一世界性成果作出了关键性的贡献。

据刘江来特别研究员介绍,中微子在探测器中反应,会放出一定量的光,我们通过观测光的量的多少来确定中微子的能量。“中微子能量越高,那么反应得到的光就越多。但是这之间并不是简单的倍数关系。” 刘江来介绍,上海交大承担着刻度系统的任务,就是要把这之间的转换关系搞清楚, 这样就可以通过观测到的光的多少来精确地反推出中微子的能量。

刘江来打了一个比方,测量就是制定一种标准,比如测量长度,我们要有一把事先校对好的尺子;测量重量,我们要有几个事先已知重量的砝码,才能称得出其他物品的重量。 同样的道理,刻度系统,就是把几种已知能量的放射源放入探测器,以此得到几种不同能量与观测到光的量之间的转换关系。

为所有数据“验明正身”

上海交大刘江来团队还独立开发了监控数据质量的实时监控软件、监控网站,以及数据库,承担了大亚湾实验数据质量筛选的主要任务。

据刘江来特别研究员介绍,大亚湾实验采用国际先进的全电子学设计,实验数据每隔十几分钟都会由计算机自动记录、压缩成单个文件,并传送到中科院计算中心和美国伯克利国家实验室计算中心,每天的数据量是310GB。由于实验过程中不可避免的一些因素,都会造成一些干扰数据。这些数据如果混入到最后的数据分析中,会严重影响实验结果的正确性。

刘江来介绍,有些干扰数据是值班人员可以发现的,例如实验设备的高压异常等。有些是值班人员无法直接发现的, 例如大亚湾反应堆异常对实验的影响、宇宙射线短期异常等。“所以每天310GB的数据文件,每一个都要经过层层筛选,以确保最后数据分析能够顺利进行。可以说我们就是所有数据文件的质监部门”,刘江来说。

0.1%的疑似信号也不放过

据介绍,刻度系统是实验能量精确测量的关键之一。但是经过仔细研究发现,刻度系统所使用的放射源即使在完全保护的情况下,也会在探测器中产生少量假的疑似中微子信号,大约占不到0.1%。

上海交大刘江来中微子团队计算了这部分的疑似信号的量,成为大亚湾合作组最后公布的官方数据。另外,他们还独立计算了宇宙射线带来的部分疑似信号,很好地验证了合作组其他成员的分析结果。

同时,为了使中微子探测器减少误差,刘江来团队还对中子探测效率做了细致的研究。由于中微子与物质相互作用极微弱,不易直接测量。大亚湾中微子实验的手段是:中微子与探测器内的质子反应,产生中子和正电子。通过探测中子和正电子来间接测量中微子。因此中子探测效率的精确测量直接关系到中微子探测的准确性,是整个实验的误差控制当中最重要的环节之一。

中国自然科学基金委、市科委提供重要支持

上海交通大学近年来非常重视对国际重大科学前沿问题的研究,于2009年专门成立了针对科学最前沿的粒子物理宇宙学研究所,开展中微子、暗物质和宇宙的起源和发展等多方面的研究。

中国自然科学基金委和上海市科委对刘江来团队的大亚湾研究做出了重要支持。在上海市科委的支持下,交大成立了上海市粒子物理和宇宙学重点实验室,致力于微观和宏观世界最前沿的科学研究,鼓励和倡导上海科研人员在重大科学问题上为世界做出重要贡献的文化。

原文:大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡 上海交大“刻度尺”做出关键性贡献

 

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