中國大亞灣實驗功成身退 打開中微子研究新大門

來源：中國新聞網

中新網北京12月13日電 (記者 孫自法)中國第一代中微子實驗裝置——大亞灣反應堆中微子實驗(大亞灣實驗)裝置，在實現原定科學目標、完成科學使命後已於12日正式退役。

大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，王貽芳院士介紹大亞灣實驗整體情況。 孫自法 攝

主持大亞灣實驗的中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)表示，大亞灣實驗取得的重要成果，不僅讓中國在基礎科學國際前沿的中微子研究領域躋身全球第一方隊，更為未來中微子研究指明方向，打開了新一代中微子研究大門。

大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，青年科學家溫良劍研究員介紹大亞灣實驗相關科研進展。 孫自法 攝

為下一代中微子實驗打開一扇大門

發現一種新的中微子振蕩、精確測量反應堆中微子能譜、給出低質量區惰性中微子最好的限制……經過4年醞釀、4年建設和9年運行共17年曆程的大亞灣實驗，迄今已收穫一批重要科學成果。

大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，相關科研、工程建設人員代表合影留念。 孫自法 攝

其中，大亞灣實驗國際合作組2012年3月宣布發現一種新的中微子振蕩，並以前所未有的精度，測得其振蕩大小為0.092，誤差為0.017，無振蕩的可能性僅為千萬分之一。這一重大發現對於研究物質本原和宇宙起源，理解宇宙中反物質消失之謎具有重要意義。

大亞灣實驗負責人、中科院高能所所長王貽芳院士表示，大亞灣實驗使科學家對物質世界的基本規律有了新的認識，該實驗發現的中微子振蕩振幅比預期要大得多，為未來中微子研究指明了方向，包括中國的江門中微子實驗、美國的「沙丘」實驗(DUNE)和日本的頂級神岡實驗(HyperK)等新一代的大型中微子實驗裝置因此得以開始建設。

大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，王貽芳院士對中微子研究進行科普。 孫自法 攝

從大亞灣實驗成長起來的青年科學家、中科院高能所實驗物理中心副主任溫良劍研究員說，大亞灣實驗發現一種新的振蕩模式，測到跟這個振蕩模式相關的混合角θ13的值不為零，「(θ13的值)在過去理論上是不清楚的，發現其不為零，給下一代中微子實驗打開了一扇大門」，為下一代實驗規划進一步測量中微子質量順序、CP破壞相角等提供方向和奠定基礎。

他透露，大亞灣實驗裝置雖然退役停止運行，但其實驗數據分析還會持續兩到三年，科研人員將持續開展物理分析，儘可能發掘物理成果。

中微子振蕩測量精度未來幾十年不會被超越

取得豐碩科學成果、才「17歲」的大亞灣實驗裝置為什麼要退役？

王貽芳指出，實驗繼續運行很大程度上是為了提高精度，精度不能提高，繼續運行就沒有意義。大亞灣實驗的精度已經不能由增加數據量來改善，它的整個誤差是由儀器設備本身精度所決定，而儀器設備本身的精度已達到極限，再運行下去精度不能提高，就是浪費人力財力物力。

大亞灣實驗設計時就按當時可能實現的最高精度來設計，「事實上到了今天，再重新設計的話，依然沒辦法提高儀器設備精度，已經到了極限，世界上大概也沒有第二個實驗想做和能做，未來二三十年也不會有人再做這件事，因為精度已沒辦法提高了」。

大亞灣實驗中方發言人、中科院高能所副所長曹俊研究員主持大亞灣中微子實驗裝置退役儀式。 孫自法 攝

他說，到目前為止，大亞灣實驗對θ13測量的統計誤差已小於系統誤差，繼續運行也不會提高精度，其他相關研究目標數據量也基本足夠，所以從投入產出比考慮，決定大亞灣實驗於2020年12月退出現役停止運行。

王貽芳強調，目前，大亞灣實驗中微子振蕩振幅的測量精度已從2012年的20%提高到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。可以預期在未來幾十年，該精度不會被其他實驗超越。

談及對大亞灣實驗的整體評價，王貽芳笑言：「自己給自己打分不太合適。但是總體來說，我認為是超出我們的預期，如果最後的結果跟預期完全一樣是100分的話，我們多少超點。無論是設備、物理成果，遠遠超出預期。」

據介紹，大亞灣實驗裝置退役之後，將移交給中微子實驗場地所在的中國廣核集團，由其進行後續的開發利用。其中，距地面最近的中微子探測實驗大廳，將改造成為一個科普基地。

推動國際科技合作促進人才培養

大亞灣實驗是中美兩國在基礎研究方面迄今最大的國際合作項目，俄羅斯、捷克，中國香港和中國臺灣都對實驗建設和科學研究做出重要貢獻。大亞灣實驗國際合作組由中國與歐美41個研究單位組成，最多時近300位科研人員參與研究。

大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，中科院高能所陳和生院士(左)、中科院高能所黨委副書記羅小安合影留念。 孫自法 攝

王貽芳認為，主持和發起大型國際科技合作項目，是中國建設創新型國家和科技強國的一個目標，這一步從小到大的發起、組織、管理、吸引的過程避免不了，大亞灣實驗就是這其中的重要一步，它使得中國的國際科技合作走到一個新的高度，合作範圍、內容、廣度、深度都是前所未有。

他透露，後續江門中微子實驗國際合作規模更大，現在已有18個國家和地區的78個研究單位近680人參加，其中一半以上是外國科學家。中科院高能所規劃中的環形對撞機項目等大科學裝置，也將全方位開展國際科技合作，目標就是推動中國在國際科學界成為大家認可的參與者和領導者。

與此同時，通過中國主導的大型國際科技合作，也培養出一批具有國際水準的科研人才。在大亞灣實驗建設運行過程中，中國有一大批跟國際上同齡人相比絲毫不遜色的青年幹才成長起來，中微子研究從一開始的三五個人，已發展到現在擁有200人的團隊。

溫良劍對此深有體會，認為只要國內有很好的實驗項目，能提供機會與平臺，不出國留學同樣可以成才。他說，大亞灣實驗是一個非常國際化的平臺，在這個平臺上跟國際高水平的科研同行合作和競爭，非常鍛鍊人，促進人才成長，中國如果這樣國際化的實驗項目越多，就會讓國內更多優秀人才留下來，也將吸引更多國際優秀人才加入。

王貽芳將這種通過主導國際科技合作項目培養人才稱為人才「造血機制」，強調中國科技人才培養真正需要解決的問題就是建立造血機制，「所以我們要有好的平臺、好的實驗，要支持國內大的科研項目不光出成果，還要有出人才的土壤，我們要有能力培養跟國外一樣甚至超過的高水平學生，不能永遠靠引進」。

大亞灣中微子實驗裝置退役儀式上，中微子探測器及水池重新「露面」。 孫自法 攝

基礎科研提出引領性需求帶動技術發展

同其他基礎研究領域一樣，中微子研究也經常被問及有什麼用？「你指望我們馬上就把投入的錢給賺回來做不到，這也不是我們基礎科學研究的目的。」王貽芳指出，一個國家的基礎科學要是不強，技術要強是不可能的，因為基礎科學最重要的作用是給技術提出從來沒有過的引領性的需求，只有需求才能帶動技術的發展。基礎科學會不斷提出新的要求，這種要求一旦通過工業界實現，其技術水平就能積少成多、不斷提高。

他說，大亞灣實驗建設運行涉及到多種頂尖技術，從分布式延遲爆破、震動監測到大型精密儀器、化學、化工、真空、高速讀出電子學等，通過科研人員與中國工業界共同努力，成功達到並超過實驗設計指標，在許多方面處於國際領先地位，從中也可管窺中國近年來實驗科學的進步和工業水平的提高。

王貽芳還舉例稱，具體到大亞灣和江門的中微子實驗項目，在技術發展上有幾個相對來說可能帶動的應用：一是超高靈敏度、超低噪聲的光電探測，中科院高能所自主開發的光電倍增管實現了國際上最高的探測效率和超低的噪聲，光電探測應用範圍很廣。

二是中微子實驗做的鋼結構對精度、安裝環境等要求以前從來沒有，在此基礎上已發展出一套新的高摩擦係數鋼結構的國家標準和製作工藝要求。

三是中微子實驗對水的提純以及各種各樣超潔淨環境的實現，相關技術在半導體工業等領域也有用武之地。

江門中微子實驗預期2022年建成

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人們的身體，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。

王貽芳科普說，中微子非常重要，它拯救了能量守恆定律，也向現代粒子物理的「標準模型」提出了挑戰。中微子不僅數量很多，而且它有無質量對粒子物理和宇宙學有巨大的影響，「如果中微子質量完全為0的話，宇宙當中是不可能存在任何結構的。宇宙當中如果沒有結構的話，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』」。

因此，科學家需要把中微子研究清楚。在大亞灣實驗「前浪」的基礎上，江門中微子實驗等「後浪」正緊鑼密鼓建設。

王貽芳透露，江門中微子實驗預期2022年完成建設，它利用陽江和臺山兩個核電站群產生的中微子，在不遠的將來，將揭開中微子質量順序的謎底，並在中微子振蕩參數的精確測量、天體中微子、地球中微子、新物理尋找、研究超新星等方面取得國際領先的科學成果。2030年左右，江門中微子實驗可以升級改造為世界最大的無中微子雙β衰變實驗，測量中微子絕對質量，判斷其反粒子是否是其自身。

他介紹說，大亞灣實驗是中國中微子研究的開端，江門中微子實驗將取得更大成果。中微子研究前景光明，預期10年左右通過中微子振蕩實驗確定中微子質量順序和CP破壞相角、20年左右有望通過無中微子雙β衰變實驗確定中微子質量。

王貽芳表示，超新星爆發的99%能量通過中微子釋放出來。按照一般理論預期，銀河系100年左右大概有一次超新星爆發，目前銀河系已有400年沒看到超新星爆發，也特別期待在江門中微子實驗生命周期內能夠看到一次超新星爆發，助力宇宙起源、演化等相關研究。