我国物理学家实验测出θ13值

　　幽灵粒子不再诡谲

　　中科院高能物理所所长王贻芳：我们就是要做一个本底非常干净、经得起考验的实验，这样即使测到的θ13值比较小，也是精度相当高的。

　　中科院理论物理所研究员李淼：这是一个诺奖级别的成果，因为对中微子振荡前两种模式的研究都获得了诺贝尔奖。

　　美国杰佛逊国家加速器实验室副主任罗伯特·麦克欧文：这是中国本土迄今为止最重要的物理学成果。

　　本刊记者/钱炜

　　中科院高能物理所所长王贻芳的办公室并不好找，它藏于北京西郊的校园深处，就和他在广东大亚湾地下30米深处进行的实验一样，长期处于大众视线之外。而这一次，他却突然间曝光在闻讯而来的各路媒体的聚光灯下。

　　3月8日，由中国科学家主导的大亚湾国际实验测得新的中微子振荡模式，即θ13。消息传出，国人振奋，媒体纷纷询问，这个发现是什么？意味着什么？王贻芳认为，要向科学界以外的大众说清楚这事，起码得先讲上一堂课。作为炙手可热的当代物理学前沿，中微子似“美人如花隔云端”，人们只知其芳名而看不清她的容颜。

　　坐在宽敞的办公室里，王贻芳向《中国新闻周刊》记者讲述了这个极其微小、此刻却可能正在穿过我们身体的神奇粒子的故事。

　　θ13是什么

　　在过去半年中，中微子曾数次占据了科学新闻的头条，足见该领域研究之热。其实，自1930年，美籍奥地利科学家沃尔夫冈·泡利首次提出应当存在一种质量很小的中性粒子这个“中子假说”以来，中微子就迅速成为粒子物理学家、天体物理学家和宇宙学家们竞相追逐的宠儿。

　　中国科学家在中微子领域一直表现不俗。泡利从理论上提出中微子后，物理界就掀起了一场寻找中微子的热潮。1941年，尚在抗日战争中颠沛流离的中国物理学家王淦昌就在贵阳的病榻之上写出《关于探测中微子的一个建议》一文，次年发表在美国《物理评论》上。可惜由于时局动荡，当时国内根本不具备进行实验的条件。同年，美国物理学家艾伦就根据王淦昌的方案做了实验，首次证实了中微子的存在。

　　中微子被发现后，科学家们就将其称为“是一件令人兴奋的真正的科学奇谭”。虽然是组成物质世界的基本粒子，和其他粒子相比，它却个性十足：不带电，没有大小，没有静止质量，几乎不与任何物质发生作用，能以光速贯穿地球如入“无物之境”，因此被称为“幽灵粒子”。

　　而后来的发现令科学家们坚信，把中微子叫做“幽灵粒子”更是一点没错。中微子分为三种：电子中微子、μ中微子和τ中微子。1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯首次发现，来自太阳的电子中微子数目比理论预言的要少。难道中微子在以光速飞行的过程中消失了？这太令人难以置信了！这个现象，就被称作“太阳中微子消失之谜”。

　　后来，很多科学家进行了实验，证实了这一现象的存在。于是人们判断，这是因为在飞行中，部分电子中微子变成了其他类型的中微子，就像川剧里的“变脸”一样，这就是大名鼎鼎的中微子振荡。根据预测，三种中微子互相“变脸”，两两组合，应有三种模式。

　　中微子为何会“变脸”？简单地说，与中微子混合有关。中微子的混合规律里有6个参数，其中三种混合模式各有相对应的混合角θ12、θ23、θ13。这些混合角的含义说起来话长，但都是基本的物理学常数，在深层次上，与宇宙中的物质起源有关。

　　后来，日本科学家小柴昌俊通过对大气中微子振荡的研究，验证了中微子振荡，并找到θ23，多位科学家继续研究太阳中微子振荡，测出了θ12。由于戴维斯与小柴昌俊在中微子方面的杰出研究，二人共同获得2002年诺贝尔物理学奖。值得一提的是，中国科学家唐孝威曾计划与小柴昌俊合作进行这项实验，但由于国内决策层并不重视，合作搁浅，中国人因而与诺奖擦肩而过。对此，中科院高能所何景棠曾撰文回忆了这桩往事的经过。

　　然而，θ13却迟迟没有找到，甚至有人说，θ13根本不存在，即为零。但科学家们并未放弃，他们仍在寻找这最后一个调皮的混合角。

　　θ13是如何找到的

　　在θ13引发的物理界的这场赛跑中，与其他几个对手相比，大亚湾实验并非是出发最早的，但却是跑得最快的。

　　王贻芳曾在1990年代参与过美国的Palo Verde中微子实验。该实验的初衷虽并非θ13，但却是世界上对θ13最早的一次探索。因此，对大亚湾实验能否找到θ13，王贻芳胸有成竹。但能够赢得这场比赛，却是意料之外。谈话间，他嘴角上扬，抑制不住内心的喜悦。

　　为测量θ13，2003年左右，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案。那时，大亚湾实验还只是一个构想，停留在王贻芳和同事们的口头描述中。当时看上去最有希望“夺宝”成功的，是法国的Double Chooz实验，因为他们已经有现成的隧道和远地探测厅，只需再在核电站附近一两百米的地方挖个洞，就能立即开始实验。但在核电站附近挖隧道并不是件容易的事，涉及很多现实的因素。据最新消息，法国人要到今年年底才能建成近地探测厅。

　　2006年底，由中国主导、中美两国合作、100多位科学家参与的大亚湾中微子国际项目正式启动，这也是美国能源部在基础研究领域对外投资第二大的国际合作。2007年10月，大亚湾核反应堆300米外响起第一声炮，隧道开挖。

　　核反应堆是科学家青睐的中微子源，在大亚湾核电站附近，每秒流过的中微子数量，多达10的21次方。而相比平原核电站，大亚湾由于背靠青山，可以更好地屏蔽外来粒子的干扰。探测厅建在地下，实验中用的钢材都是特制的，直径5米、高5米的巨大圆柱形探测器被浸在一个更大的水池中，这一切，都是为了最大程度的屏蔽各种干扰。“我们就是要做一个本底非常干净、经得起考验的实验，这样即使测到的θ13值比较小，也是精度相当高的。”王贻芳说。

　　科学家们在离反应堆较近的两个探测厅各放了两个探测器，在1700米之外的远点探测厅布置了4个探测器。大量的中微子穿过探测器，与其中的特殊物质——液体闪烁体(以下简称“液闪”)发生反应，就会发出微弱的光，再转变成电信号，被仪器记录下来。如果近点探测器和远点探测器的结果明显不同，就说明中微子在这段旅程中“变脸”。

　　经过近4年的酝酿、3年的建设、1年的安装，而55天，才是进行实验的真正时间。这正是大亚湾实验的优点：高效。

　　当法国的Double Chooz实验步履蹒跚时，韩国的RENO实验又成为大亚湾项目最有竞争力的对手。2011年12月24日，当大亚湾的探测器刚开始取数据时，韩国RENO实验已经进行了4个月，而他们至今尚未公布结果。王贻芳说，由于数据量足够大，大亚湾实验的一个月就顶得上别人三个月以上。这其中，探测器是关键。由于中微子“生性孤僻”，几乎不“理睬”其他物质，这就需要一个足够灵敏、体积足够大的探测器来捕捉它们的痕迹。

　　令王贻芳自豪的是，探测器里最关键的部分——液闪是由中国科学家自主研制的。按实验要求，液闪需要在与中微子“互动”的同时保持稳定。这在技术上有不小的困难，以前国际上的类似实验均有液闪不稳定的记录，甚至有整个装置提前报废的先例。在此次项目中，美方合作者也表示能够研制液闪，但是最终，中方的液闪要比美方的在光学特性和稳定性上都更好。

　　要想加大探测器的规模，通常的办法，是将一个探测器做得尽量大，但王贻芳改变了策略，在远厅里放了4个同样大的探测器。“这样做的一个额外好处就是，4个探测器各自独立，可互相检验，降低了实验的误差，提高了实验的准确度与可靠性。”

　　2011年6月15日，日本T2K中微子实验发表了θ13的测量结果，置信度有2.5个标准差。按惯例，置信度在3个标准差以下的测量结果叫迹象(hint)，处于3～5个标准差之间的结果叫证据(evidence)，超过5个标准差的实验结果才叫发现(discovery)。因此，T2K的这个结果只能被称作“迹象”，即便如此，这一研究仍被欧洲的《物理世界》列为去年十大物理突破的第7位。后来，美国与法国也相继发布了两个类似的数据，但都因为置信度不高而未获认可。

　　大亚湾实验测出的θ13值为8.8度，置信度有5.2个标准差，也就是可以被明确称作“发现”。结果发布当天，中科院理论物理所研究员李淼就说，这是一个诺奖级别的成果，因为对中微子振荡前两种模式的研究都获得了诺贝尔奖。

　　但王贻芳对此保持冷静，“说我们可以得诺贝尔奖，这有些过誉了。2002年中微子振荡获奖，是原创性的，证实了中微子振荡的存在，我们只是在继续推进而已。”

　　发现θ13意味着什么

　　然而，θ13 的发现，仍意义重大。“它不仅仅是一个参数，而是一个入口”，美国费米国家实验室物理学家罗伯特·普伦吉特说，θ13的找到，为下一步中微子实验定下了方向。

　　到大亚湾实验为止，中微子混合规律里的6个参数，已经找到了5个，只剩下最后一个CP破坏的值没有确定。这是一个非常关键的参数，它将揭示物质与反物质的关系。

　　按照大爆炸理论，在宇宙诞生之初，物质与反物质应该一样多，但很快，物质统治了世界。反物质的消失，有各种解释，其中一种主流解释就是反物质的衰变要比物质快。

　　而体现物质与反物质衰变差别的参数，就是CP破坏。这个参数正好在中微子振荡里出现。如果通过研究中微子振荡找到CP破坏，人们就能知道物质与反物质究竟谁衰变的更快，有多快。

　　而θ13则是CP破坏的好“姐妹”，在中微子振荡这一物理过程中，它们是两个始终相乘的参数。如果θ13的值很小或者为零，那么CP破坏也就无法确定或者不存在。因此，θ13的找到，为寻找最后这个关键参数铺平了道路。

　　然而，寻找CP破坏要比发现θ13难得多。核反应堆产生的中微子在振荡过程中没有CP破坏，只有源于加速器的中微子振荡才有这一参数。问题是，做一个加速器中微子实验实在太烧钱了。

　　王贻芳说，目前，中国只有高能所在广东建有一个散裂中子源，它类似于中微子实验所需要的加速器，但功率只有0.1兆瓦，造价高达18亿人民币。而日本的T2K中微子实验正好是基于加速器的，其功率为1兆瓦。因此，中国目前尚没有能力进行寻找CP破坏的实验。世界上有能力做加速器中微子实验的，有美国、日本和欧洲的核子中心三家。王贻芳认为，其中日本的T2K实验最有希望首先找到CP破坏。

　　“这是中国本土迄今为止最重要的物理学成果”，大亚湾中微子实验国际合作组成员、美国杰佛逊国家加速器实验室副主任罗伯特·麦克欧文说。