大亞灣反應堆中微子實驗退役 江門實驗預期2022年完成建設

中國網/中國發展門戶網訊 （記者 王振紅）12月12日上午，大亞灣反應堆中微子實驗（以下簡稱「大亞灣實驗」）退役儀式在實驗站現場舉行。至此，這個自2003年開始，經過4年醞釀、4年建設和9年運行取數的我國第一代中微子實驗裝置，實現了原定科學目標，完成了科學使命，正式退役。

中國科學院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳按下了停止運行的按鈕，隨後，實驗大廳的水池外罩被打開，展現出沉浸在碧藍色高純水中的4個中微子探測器。停機退役的過程進行了網絡直播，大亞灣實驗的科學家進行了實時解說，使國際前沿的大科學裝置近距離呈現在大眾面前。大亞灣實驗中方發言人曹俊研究員主持退役儀式。

12月12日上午，大亞灣反應堆中微子實驗退役儀式在實驗站現場舉行。圖為沉浸在碧藍色高純水中的4個中微子探測器。 中國網 王振紅攝

大亞灣實驗由中國科學院高能物理研究所牽頭,是一個具有重要國際影響和重大科學意義的國際合作項目,也是中美兩國目前在基礎科學研究領域最大的合作項目之一。大亞灣實驗國際合作組以中美物理學家為主,包括7個國家和地區，41個科研機構的200多名科研人員參與。退役儀式結束後，按計劃進行設備拆卸撤場工作，預計在半年內完成。之後，實驗場地將正式移交給中微子實驗所在的中廣核集團，由中廣核集團進行後續的開發利用。

從無到有，走到世界前列，實現跨越式發展

據悉，中微子是宇宙中最古老、數量最多的物質粒子，從宇宙誕生的大爆炸起就充斥在整個宇宙空間。太陽、地球、超新星、宇宙線、核反應堆，甚至人體都在不停地產生中微子，每秒鐘都有億萬個中微子穿過我們的身體，但無法察覺，它幾乎不與任何東西發生反應，甚至可以輕鬆穿過整個地球。十幾年前，通過對太陽中微子和大氣中微子的研究，科學家發現，中微子有一個神奇的特性，能夠在飛行中從一種類型轉變成另一種，即「中微子振蕩」。過去30年已有4個諾貝爾獎頒發給了中微子領域的科學家。我國中微子研究由大亞灣中微子實驗起步，從無到有並走到了世界前列，實現跨越式發展。

大亞灣和嶺澳核電站共有6個反應堆，總功率位居世界前列，每秒鐘產生的中微子多達35萬億億個，同時附近有山，適合建地下實驗室探測中微子。2003年，科學家們利用這一得天獨厚的條件提出了大亞灣反應堆中微子實驗方案，首次提出了多模塊探測器的方法，設計了3個實驗站和8個中微子探測器。該方案得到了國際上的廣泛關注與贊同，美國能源部支持十多個美國國家實驗室和大學參加大亞灣實驗。2011年建成了國際領先的實驗裝置並正式運行，並於2012年在激烈的國際競爭中率先取得重大成果：發現對應於θ13 的中微子振蕩新模式。這是在我國本土誕生的重大物理成果。實驗結果一經發布，立即在全球科學界引起熱烈反響，被評價為中微子物理的裡程碑，入選了美國《科學》雜誌評選的2012年度十大科學突破，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。

2018 年,大亞灣實驗積累了當時世界最大樣本的反應堆中微子數據,將振蕩參數sin22θ13 的測量精度從 2012 年的 20% 提高到了 3.4%，預期最終精度將好於3%。這是自然界的基本參數，其精確測量具有重要科學價值。在未來幾十年，該精度不會被其他實驗超越。將振蕩參數Δ m2ee 的測量精度從 2013 年的 7.5% 提高到了 2.8%,該測量精度略好於加速器中微子的測量精度,為世界最精確的測量。

「中微子振蕩現象是指一種中微子在飛行中可以轉化為另一種中微子。中微子振蕩表明中微子有微小的質量,是超出粒子物理標準模型的目前唯一的實驗證據。」王貽芳院士表示，對應於第三種振蕩模式的混合角θ13 ，其大小可以為未來中微子研究指明道路,也與宇宙起源中的「反物質消失之謎」相關,具有重大科學意義。

據悉，大亞灣方案提出之初，中微子研究面臨激烈的國際競爭，俄羅斯、法國、美國、日本、巴西和韓國等7個國家相繼提出8個測量θ13的實驗方案，最終3個得以實施，包括韓國的RENO實驗和法國的Double Chooz實驗。大亞灣實驗的精度為國際上最高，美國能源部因此放棄自己的2個方案，轉而加入中國的大亞灣實驗。

為下一代中微子實驗鋪路

談及中微子研究的科學意義，王貽芳院士表示，「做科學研究，特別是做基礎科學研究，關心的是研究對象背後的物理規律，光是發現它沒有解決根本問題。相對來說，中微子是比較複雜的研究對象。」他指出，「中微子本身很重要，一是數量很多，宇宙當中每立方釐米就有300個；二是中微子是否有質量，對粒子物理和宇宙學有巨大的影響。今天大家能夠坐在這裡就是因為中微子有一點點小的質量，如果中微子質量完全為零的話，宇宙當中不可能存在任何結構，也就沒有星系團、銀河系、太陽和地球，宇宙就會是一個絕對均勻、沒有漣漪的「死區」。」

「中微子有很多我們不了解的性質，絕對質量是多少不知道，還有一些其他的性質都不知道。」 王貽芳院士說，「在12種基本費米子當中，只有中微子我們了解得最少，最不清楚，同時它也最輕。所有的粒子在各種各樣的相互作用（衰變）等等都會產生中微子，它就變得最基本、最重要。」

「大亞灣實驗使我們對物質世界的基本規律有了新的認識，為下一代中微子實驗指明了方向。新一代的中微子實驗研究瞄準質量順序和CP相位角兩大熱點問題。」王貽芳院士如是說。中國的江門實驗、法國在地中海的 ORCA 實驗，美國的 DUNE 實驗、日本的超級神岡實驗等多個新實驗被批准。

江門中微子實驗將揭開質量順序的謎底

據悉，江門中微子實驗是繼大亞灣中微子實驗之後，由我國主持的第二個大型中微子實驗，已開始建設。實驗將建造世界上能量精度最高、規模最大的液體閃爍體探測器，首要科學目標是確定中微子質量順序，並將進行超新星中微子、地球中微子、太陽中微子、大氣中微子、惰性中微子等多項國際領先的交叉前沿研究。目前研製工作取得多項關鍵進展，逐個破解了極具挑戰性的技術難題，特別是國產光電倍增管打破國際壟斷、實現量產。

王貽芳院士強調，「中國過去都是參加別人的大型實驗，不能永遠參加別人的，如果要做到引領，總要有一些自己發起讓別人參加的項目，否則談不上引領。這一步從小到大的發起、組織、管理、吸引的過程是避免不了的。大亞灣實驗是一個開端，江門中微子實驗規模更大，目標就是使中國真正能夠在國際科學界成為大家認可的、學術界領先的國家，成為一個好的領導者，讓大家跟著我們一起做。當然，我們也會積極參與合作，也成為國際科學界很好的參與者。」

針對「為什麼不對大亞灣實驗改造升級，而選擇退役，另外建設江門中微子實驗」的疑問，王貽芳院士解釋說，「大亞灣實驗的科學目標是測量θ13 。即使繼續運行，不會提高精度，因為受整個設備儀器的誤差所限制。這個誤差是一開始設計建造就決定了的。過去我們能夠提高精度，是通過積累數據，提高數據量。到一定程度，儀器設備的誤差變得最大以後，數據的積累對它沒有幫助，繼續運行下去沒有任何意義。」他進一步解釋說，「江門中微子實驗從人員隊伍、學術發展來說是有一個傳承，但是它的科學目標（與大亞灣實驗）是完全不一樣的，所以不是在原址做升級，而是要做的完全不一樣的事，要選完全不一樣的地方。江門實驗目標是確定中微子質量順序，需要探測器距離反應堆53公裡，大亞灣只有1.6公裡，大亞灣顯然是不能滿足這一科學目標的。」江門中微子實驗預期2022年完成建設，在不遠的將來，它將揭開中微子質量順序的謎底。

此外，王貽芳院士認為，大亞灣實驗培養了一批具有國際水平的青年骨幹，造就了一支優秀的研究隊伍，特別值得一提的是不少創新思想都是來自青年科學家。王貽芳院士介紹說，2016年度國際純粹物理與應用物理聯合會（IUPAP）粒子物理領域的青年科學家獎授予了中科院高能物理所青年科學家溫良劍，這是該獎項第一次頒發給中國大陸的粒子物理學家。「這些青年人才將在江門中微子實驗中發揮重要作用。」王貽芳院士表示。

12月12日上午，大亞灣反應堆中微子實驗退役儀式在實驗站現場舉行。中國網 王振紅攝