中國最重要的中微子實驗正式退役

大亞灣反應堆中微子實驗已經完成使命，江門中微子實驗將接過「接力棒」，開啟下一段探索之旅。

圖片來源：中科院高能所直播截圖
今天，在深圳大亞灣核電站北部的山地深處，大亞灣反應堆中微子實驗（簡稱大亞灣實驗）正式退役了。
大亞灣實驗使我國的中微子研究從無到有，跨入國際先進行列。2012 年3月，大亞灣實驗發現了中微子振蕩的新模式，被《科學》（Science）評選為 2012 年度十大科學突破之一，獲得2016年度國家自然科學一等獎、2016年度基礎物理學突破獎、2019年度未來科學大獎等多個獎項。

在大亞灣實驗中，8 個完全相同的中微子探測器分別安裝在 3 個地下實驗洞室內，其中 4 個兩兩一組，分別靠近大亞灣核電站和嶺澳核電站；另外 4 個位於大亞灣北部山地深處。大亞灣實驗示意圖。（圖片來源：中科院高能所）
退役儀式上，水池蓋子八年來第一次打開，露出下方的四個中微子探測器，浸泡在高度純淨的水中。來自 6 個核反應堆的中微子抵達探測器，和其中的液體閃爍體發生反應，產生的光信號被探測器中的光電倍增管記錄下來。通過這種方式，號稱「幽靈粒子」的中微子現出真身，為科研人員透露宇宙的秘密。
中微子研究是當前物理學中最熱門的領域之一。大亞灣實驗退役後，中國中微子研究的重心將轉移到江門，一年後那裡將建成全世界最大的液體閃爍體中微子探測器，稱為江門中微子實驗（簡稱 JUNO、江門實驗）。再加上美國的深層地下中微子實驗（DUNE）、日本的頂級神岡探測器（Hyper-K），未來十年中全世界預計共有三臺大型中微子實驗陸續啟動，新一輪競爭正在拉開序幕。
在過去十年中，大亞灣為中國中微子研究打下了哪些基礎？大亞灣退役後，江門實驗有哪些值得期待？科研圈就相關問題採訪了中國科學院高能物理研究所研究員溫良劍。為表述簡潔，採訪內容有刪減和修訂。
告別大亞灣
科研圈：大亞灣實驗的一個主要成果，就是在2012年精確測定了中微子混合角 θ13，可以解釋一下這個參數的意義嗎？
溫良劍：中微子是宇宙中密度非常高的一種基本粒子，跟宇宙的演化密切相關，對於宇宙學和粒子物理都非常重要。而中微子有三種，跟三種輕子混合，就產生對應的三組混合角和三個質量平方差。2015年獲得諾貝爾獎的兩個實驗，日本的超級神岡實驗（Super-K）和加拿大的薩德伯裡中微子觀測站（SNO）實驗，他們就測到了另外兩種振蕩模式，確定了另外兩個混合角。在那之後，中微子振蕩圖像的拼圖還差 θ13 這一塊，這次測量就補全了這塊拼圖。
中微子混合角 θ13 是粒子物理學裡面 28 個基本參數之一，測定它的值可以使科學界更加深入地了解中微子基本性質。測定 θ13 之後，我們就可以規劃下一步的中微子振蕩實驗，測量中微子質量順序，以及中微子振蕩裡面的宇稱和電荷對稱性的破壞，也叫 CP 破壞。CP 破壞表徵粒子和反粒子之間的行為差異，是解釋宇宙早期的物質和反物質不對稱的必要條件。同時中微子的質量順序也非常重要，就是確定三代中微子的質量誰輕誰重。我們只有在測到 θ13 之後，才能做下一代的實驗，解決這些問題。

大亞灣實驗使用的探測器。192個8英寸光電倍增管安裝在緊貼鋼罐內壁的支架上，用於探測中微子俘獲時發出的光信號。（圖片來源：中科院高能所）
科研圈：大亞灣的退役是什麼時候規劃的？
溫良劍：其實是好幾年前了。大亞灣 2012 年投入運行，原計劃是運行 3 年達到物理目標，然後 5 年完成運行，也就是 2017 年結束。不過 2015 年的時候，我們發現有些新的分析技術可以極大減小誤差，讓時間精度能變得更高，這樣的話繼續運行就有比較大的科學價值。而且當時我們也測了反應堆中微子能譜，發現它跟理論模型有比較大的差異，想獲取更多的數據去理解它。所以綜合各方面原因，2016 年合作組正式決定（讓實驗）繼續運行到 2020 年。到這個時候探測器的誤差已經是主導了，繼續增加數據並不能顯著提高精度。換句話說，這時候再運行更長時間就不划算了，要花更多錢，但是不一定有更好的收益。所以就決定在今年年底（讓它退役）。
科研圈：對於這個項目地點和這些設備，未來有怎樣的規劃呢？
溫良劍：退役儀式之後馬上就會開始現場設備的拆除，然後撤場，也就是把實驗裝備拆卸運到別的地方去。預期半年之內完成撤場，之後場地就會移交給實驗站所在的中廣核集團，進行後續的開發利用，可能會用作科普展館。
大亞灣的一部分設備我們會運到江門中微子實驗現場，也做科普的用途。我們現在在江門實驗那邊，有個用來裝配探測器的地面安裝廳，面積比較大，有幾千平米。完成安裝之後（安裝廳）就空出來了，然後我們就會把它改造成一個科普展覽館。估計可能過一兩年會有比較明確的方案。

JUNO 實驗規劃圖（圖片來源：中科院高能所）
科研圈：現在大亞灣實驗室就要撤場了，您對此有怎樣的感受？
溫良劍：其實沒有特別的感覺，有一種儀式感。畢竟我是從大四開始就參與到這個實驗，到今年已經過了 15 年了，算是參與了它的全過程。到目前為止它有很多很重要的成果，而且很多成果超出當時的預期，所以還是挺圓滿的。現在有個退役儀式，也算是個圓滿的結束，更多的是比較開心。
追尋中微子的痕跡
科研圈：大亞灣還有一些實驗也為江門中微子實驗打下了基礎，例如反應堆中微子能譜測定、液體閃爍體（液閃）的預研，可以介紹一下這些方面嗎？
溫良劍：大亞灣的實驗科學目標跟江門中微子的科學目標是完全不一樣的，但實驗技術上有傳承，並且同樣研究的是反應堆中微子，所以大亞灣目前的一些成果對將來（中微子）研究也是比較有意義的。用大亞灣的探測器高精度測量反應堆中微子能譜，能夠為江門的研究提供一個比較精確的輸入值。反應堆中微子能譜和裂變核素有比較強的關聯。我們通過大亞灣的數據解出了裡面兩種主要核素的反應堆中微子能譜，就是鈾 235 和鈽 239。這是首次測量、分解出這兩種中微子能譜。
另外一方面就是液體閃爍體的預研。在 2017 年的時候，我們就讓大亞灣的一個探測器退出實驗，專門用來做江門中微子實驗的液閃預研。我們在（容量）20 噸的探測器裡面試驗了江門的液閃配方，然後對它進行純化實驗，來驗證放射性和透明度能不能達到江門實驗的要求，通過一兩年的實驗確定了最優配方。
這次撤場完了之後，我們還要拆掉這個探測器，為江門的刻度系統做一個驗證。江門實驗的探測器直徑 30 多米，內部空間很大。我們將來會有一個小型潛水艇刻度裝置，它能在探測器裡面自動跑到任何你指定的地方，在那部署一個刻度源，模擬發生在探測器不同位置的中微子事件，標定它在所有的光電倍增管上產生的信號分布。這個（設備）是需要驗證的，那麼大亞灣探測器也是一個很好的驗證裝置。所以大亞灣從運行到最後撤場，都會給江門提供很重要的參考。

江門中微子實驗探測器示意圖，探測器主體為一個直徑 30 米的有機玻璃球。（圖片來源：中科院高能所）
給中微子「稱體重」
科研圈：江門中微子實驗的規模要比大亞灣大很多，並且建成之後會是全世界最大的液體閃爍體中微子探測器。這樣的設備在建造過程中遇到怎樣的挑戰呢？
溫良劍：首先從規模上來講，大亞灣的一個探測器模塊（液閃）質量是 20 噸，江門是 2 萬噸，整整大了一千倍。現在正在運行的國際上最大的液體閃爍體探測器，是日本的 KamLAND 實驗，它（的液閃）只有 1000 噸，江門探測器比它大 20 倍。
探測器做大了之後有非常多的技術困難。首先，因為我們要測中微子質量順序，需要精確測量中微子振蕩的能譜。這個要求非常高的能量解析度，須用量子效率很高的 20 英寸直徑光電倍增管。這個製造難度是非常大的。十年之前，20 吋的倍增管只有日本能生產，是從神岡實驗開發出來的壟斷技術。我們當時也跟他們溝通過，他們的費用特別高，而且當時的效率其實是達不到我們要求的。
所以在 2009 年，高能所開始部署自己研發光電倍增管。高能所跟北方夜視公司還有其他一些研究單位，組建了一個產學研聯合攻關組，經過大概 10 來年的努力，成功研發了基於微通道板的新型光電倍增管，效率能夠達到國際上最高，並且其他參數也跟日本濱松公司產的光電倍增管也比較接近。最終我們有接近 2 萬個光電倍增管，有 15,000 個是國產，實現了一個非常大的技術突破。

自主研發的 20 吋光電倍增管（圖片來源：中科院高能所）
另外一個困難就是，探測器非常大，它的主體是一個直徑 30 多米、厚 12 釐米的有機玻璃球，裡面要裝 2 萬噸的液閃。這個有機玻璃需要很高的潔淨度和很高的透光性，而且天然放射性要特別低。你要造這麼大一個球，還得這麼高的要求，這在國內應該是從來沒做過的。
國際上最大的（中微子探測器）有機玻璃球就是加拿大 SNO 實驗（的探測器），它直徑只有 10 米。我們要做 35 米，難度非常大。這個也是經過了好幾年的努力，和企業以及做機械設計力學分析的團隊一塊，建了專門的實驗室去研究有機玻璃的力學性能。團隊還專門做了一個直徑 3 米的小球，來驗證所有的這些設計是否合理，然後再把它推廣到直徑 30 米的一個大球上。整個過程也是經過了很多困難，有技術上的，也有材料上的、工程機械上。這些困難也是基本都解決了，現在已經開始生產（設備），開始預安裝。
科研圈：關於江門中微子實驗的選址，相關資料提到了兩個關鍵的點，一是它離兩個反應堆的距離相等，二是這個距離要達到 53 公裡。為什麼要這樣選擇呢？
溫良劍：我們所有的選擇都是圍繞這個實驗目標，也就是測中微子的質量順序。質量順序的信息隱藏在中微子振蕩的能譜裡面，我們想測的是一個非常小的振蕩，是發生在一個大的振蕩的包絡上的。大的振蕩效應越大，小的振蕩就看得越清楚。我們希望 θ12 引起的振蕩是達到最大，那麼 53 公裡是合適的距離。然後還有一個要求是它要和兩個反應堆等距。如果這個距離不相等的話，振蕩會發生抵消；而如果距離精確相等，它的效應疊加起來就達到最大。
把這些（因素）都放在一起的話，其實我們當時設計的時候，考慮臺江和陽江兩個反應堆，比較合適的一個範圍其實非常窄，大概在 15 公裡長、寬幾百米的一個區域內，實驗點必須選在這裡面才能讓靈敏度達到要求。在這個基礎上，還要去看這個地方有沒有比較高的山，山能夠屏蔽宇宙線的本底輻射；還有山的巖石質量要足夠好，因為要挖很大的洞室，巖石要能撐得住大的空間。
把這些因素全都綜合起來，現在江門的實驗選址基本上就是最佳的，也是唯一的選擇。這其實也有一些運氣。實驗站離反應堆的距離跟實驗目標密切相關，定了距離之後，去看當地有什麼條件，然後要在中國地圖上找有哪些反應堆是合適的。這樣篩選下來基本就沒什麼選擇了。

JUNO 實驗隧道（圖片來源：中科院高能所）
科研圈：接下來大致介紹一下未來江門中微子實驗的計劃吧。
溫良劍：我們首先是要確定中微子的質量順序，這是首要的目標。現在競爭的國際上三大實驗，除了中國的江門之外，還有日本的頂級神岡、美國的 DUNE 實驗，這三個實驗都可以測中微子質量順序，但是另外兩個實驗還可以測 CP 破壞的大小，實驗的原理各有互補。
還有跟這密切相關的一個非常確定的預期成果，就是我們可以對中微子的振蕩參數做精確測量，要達到遠好於 1% 的程度。這個對未來理解中微子和輕子的混合的性質也是非常重要的。
作為世界上最大的液體閃爍體探測器，它還可以研究很多其他的中微子課題。比較大的一類就是天體中微子。天體中微子包括太陽來的、地球自己產生的，特別是來自宇宙天體的中微子，它對（理解）宇宙演化和各種元素的形成非常重要。江門探測器對於超新星爆發（產生的）中微子有很強的探測能力。此外還能尋找超新星遺蹟中微子。從 1987 年到現在，還沒有觀察到過一次新的超新星爆發中微子；但是在宇宙演化的 138 億年中，超新星不停爆發，產生大量的中微子，在宇宙中飄來飄去，最後形成了一個背景一樣的分布。如果能探索到這些遺蹟中微子的話，就能探知宇宙演化的一些信息，像恆星的形成的速率，還有黑洞的形成率等。但這種超新星遺蹟中微子至今還沒有被觀測到過，江門對它也有很強的探測能力。
科研圈：目前江門中微子實驗還在建設中，在它正式投入之前，相關的研究團隊會做哪些方面的工作？
溫良劍：我們現在在做分析的準備，並充分開發江門實驗的物理潛力。隨著探測器的建造過程，我們對它各方面的參數會有更深的理解。為了將來更好地描述和理解探測器的性能，需要開發比較精確的模擬軟體和事例重建軟體，這也是國際高能物理實驗或者粒子物理實驗通用的做法。所以現在大量的工作也是在開發這些軟體，來儘可能提高它的精度。在我負責的物理工作方面，大家都在努力地做這些準備，以便將來能在拿到數據的第一時間很快做出成果，因為有國際競爭在裡面。
然後我們也在抽一小部分精力來做未來的規劃和預研。其實不光是大亞灣，所有的粒子物理實驗都有類似的規律，就是你在做一個實驗的時候，就要開始考慮這個實驗下一代該做什麼。當時大亞灣還沒開始實驗的時候，我們就在考慮大亞灣之後做什麼；現在江門實驗正在建設，我們也在考慮未來做什麼。
我們計劃是在 2030 年左右，或者說當江門實驗主要的目標完成之後，把它改造成一個無中微子雙 β 衰變實驗 ，來測量中微子有效質量。無中微子雙 β 衰變也是一個非常熱門的前沿，能夠直接探測中微子的質量。江門實驗室測的是質量順序，只是確定誰輕誰重，把三代（中微子）的順序排好；但是把順序排好之後，最輕的中微子質量是多少還不知道，這其實也是非常重要的一個基本問題。