[大國重器-中科院重大科技基礎設施]大亞灣反應堆中微子實驗

綜述及基本情況

大亞灣反應堆中微子實驗(以下簡稱「大亞灣實驗」)的主要目標是利用核反應堆產生的電子反中微子,尋找一種新的中微子振蕩並精確測量其振蕩機率(由中微子混合角 θ₁₃ 表示)。

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 個國家和地區的 41 個單位 189 人。

大亞灣實驗於 2006 年立項,2007 年開始動工修建隧道和地下實驗大廳。2011 年 12 月 24 日,6 個探測器開始運行取數。2012 年夏天停機完成其餘探測器安裝,10 月 19 日遠、近點共 8 個探測器開始運行取數。

2012 年 3 月 8 日,大亞灣實驗測量到了最後一個未知的中微子混合角 θ₁₃,在國際上首次測到中微子混合角 θ₁₃不為零,其置信度達到 5.2 倍標準偏差。該成果被 Science 雜誌評選為 2012 年度十大科學突破之一。

2013 年,大亞灣中微子實驗國際合作組公布了對中微子質量平方差的測量(Δ m²_ee),該測量可與加速器實驗上的質量平方差(Δ m²_μμ)相比較,將幫助我們更好地理解中微子振蕩的特性。

2014 年,利用 6 個中心探測器運行 217 天和全部 8 個中心探測器運行 404 天的數據,大亞灣實驗將 θ₁₃ 和 Δ m²_ee的測量精度提高了近 1 倍,分別達到 6% 和 5%。此外,利用 6 個探測器的數據,大亞灣實驗測量了反應堆中微子的絕對流強,並初步給出了中微子能譜的測量結果;對第四代中微子或惰性中微子給出了新的排除區間;通過氫俘獲的事例樣本,以 4.6 倍標準偏差的置信水平獨立驗證了中微子振蕩和 θ₁₃ 非零。

2015 年,大亞灣實驗完成了中微子振蕩參數測量的檢查和改進。同時,大亞灣實驗完成了反應堆中微子能譜的首次測量,並發現中微子個數在 6 MeV 附近超出理論預期,顯著性達到 4 倍標準偏差。這個結果為反應堆中微子理論模型的完善以及國際上熱門的對反應堆中微子反常現象的研究提供了新的依據。

2016 年,利用 1 230 天的數據,大亞灣實驗將 θ₁₃ 和 Δ m²_ee 的測量精度分別提高到了3.9% 和 3.3%, Δ m²_ee 的精度首次達到世界第一。利用首個超過 100 萬中微子的事例樣本,改進了中微子流強和能譜的測量,中微子個數在 6 MeV 附近超出理論預期,顯著性提高到 4.4 倍標準偏差。大亞灣實驗和美國的加速器實驗 MINOS 同時利用雙方數據,在不同中微子反應道上進行聯合分析,給出了新的惰性中微子的排除區間。

2017 年,大亞灣實驗首次測得了中微子流強和能譜隨反應堆核燃料的演化,發現反應堆中微子反常主要由 ²³⁵U 引起,而不是「惰性」中微子預言的不同核素貢獻相同,基本排除了「惰性」中微子對中微子反常的解釋。

2018 年,利用 1 958 天的數據,大亞灣實驗將 θ₁₃ 和 Δ m²_ee 的測量精度分別提高到了 3.4% 和 2.8%。

精確測量是科學發現和突破的基礎。在下一階段的運行中,大亞灣中微子實驗將繼續運行至 2020 年底,獲取更多的數據,提高統計量,降低統計誤差,並研究降低系統誤差的方法,將 θ₁₃ 的測量精度提高到3% 左右。同時,還將進一步提高中微子質量平方差的測量精度;精確測量反應堆中微子能譜,並研究反應堆中微子反常;研究超新星中微子;研究宇宙線產生中子和同位素;尋找新物理等。這些研究將在多個方面達到國際領先水平,保持在反應堆中微子實驗中領先的國際地位,進一步擴大我國在中微子研究領域的國際影響,獲得重大科學成果。

研究進展與成果

首次發現中微子振蕩新模式

中微子物理是粒子物理最重要的研究前沿之一。中微子振蕩是一種新的物理現象,即一種中微子在飛行中自發變為另一種中微子。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。對應於第三種振蕩模式的混合角 θ₁₃ 的大小對未來中微子研究具有指路標的作用,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。

大亞灣實驗通過近點探測器測量反應堆中微子的通量,並預言遠點探測器的中微子事例數。經過仔細的數據分析,排除了大量的本底,證明遠點的中微子數丟失了約 6%。通過更精確的 χ² 分析,得到中微子振蕩的振幅為 sin²2θ₁₃=0.092±0.016(stat.)±0.005(syst.),以 5.2 倍的標準偏差得到 sin²2θ₁₃ 不為零。該項在我國誕生的重大物理成果,在國際物理學界引起了熱烈反響,入選 Science 雜誌 2012 年度十大科學突破,獲得了 2016 年度基礎物理學突破獎和 2016 年度國家自然科學獎一等獎。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%。

首次測定中微子振蕩參數D∆m²_ee

質量平方差是描述中微子振蕩現象的主要參數之一。2013 年,大亞灣實驗完成了中微子的能譜分析研究,進而首次直接測量了與反應堆中微子振蕩相關的質量平方差 Δ m²_ee(|Δ m²_ee|=(2.59±0.20)×10⁻³ eV²),驗證了 3 種中微子混合的理論。這個結果可與加速器實驗上的質量平方差(Δ m²_μμ)相比較,幫助我們更好地理解中微子振蕩的特性。美國費米實驗室主辦的 Symmetry雜誌以「通過精確測量不同能量下的振蕩行為,大亞灣的新結果加深了對中微子的理解」為題、Science Daily 網站以「高精度亞原子譜形變化及關於中微子質量差的新結果」為題報導了該成果。

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 Δ m²_ee 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。

精確的反應堆中微子能譜測量

2016 年,利用 621 天的數據量、超過 100 萬個反應堆中微子的事例樣本,精確測量了反應堆中微子能譜,發現與理論模型存在兩種偏差:①反應堆中微子流強比主流的 Huber-Mueller 模型預期值低 5%,超過理論模型估計的 2%—3% 的誤差。這個結果與過去 10 多個短基線反應堆中微子實驗的測量結果一致,被稱為「反應堆中微子反常」。 ②反應堆中微子能譜與幾種模型預期的能譜相比,有 5 MeV 能量附近有顯著超出,遠大於模型誤差,偏離達到了 4.4 倍標準偏差。能譜對理論模型的整體偏離也達到了 3 倍標準偏差。該成果為未來的反應堆中微子實驗提供了模型無關的中微子測量譜,入選《科技日報》2016 年「國內十大科技新聞」,入選中國核學會的 2015—2017 年度「中國十大核科技進展」。

2019 年的最新結果證明 5 MeV 附近的超出達到 6.3 倍標準偏差,能譜整體偏離也超過了 5 倍標準偏差的確認標準。

尋找惰性中微子

從 20 世紀 90 年代起,美國的 LSND 實驗和 MiniBOONE實驗利用加速器產生的繆子中微子,發現其到電子中微子的振蕩存在超出預期,一個可能的解釋是存在質量在 eV 量級的惰性中微子。而在反應堆中微子領域,流強預期和過去十幾個實驗的測量相比,偏少 5% 左右,同樣可能使用 eV 量級惰性中微子解釋。惰性中微子是超出粒子物理標準模型的新物理,它和普通物質只發生引力相互作用,因此尋找惰性中微子是近 20 年來中微子物理中的熱點方向之一。

2016 年,利用 621 天的數據,大亞灣實驗通過比較遠近實驗廳的能譜,在 0.001—0.1 eV² 極大程度上排除了惰性中微子存在的可能,為國際最好水平。為了直接檢驗 LSND 實驗和 MiniBOONE 實驗的結果,大亞灣實驗和反應堆中微子實驗 Bugey-3、加速器中微子實驗 MINOS 開展聯合分析,基本排除了 LSND 實驗和 MiniBOONE 實驗給出的惰性中微子可能存在區間。該成果被 Physical Review Letters 選為編輯推薦文章,被 Scientific American、Nature 等報導。

反應堆中微子事例率和能譜隨核燃料演化的演化

反應堆中微子實驗觀測到的中微子事例數比理論模型要少,一直以來,有一種解釋就是存在惰性中微子。2017 年,大亞灣實驗利用 1 230 天的實驗數據樣本,測量了中微子事例率和能譜隨反應堆核燃料燃燒歷史的演化,結合大亞灣和嶺澳一共 6 個反應堆的燃料燃燒歷史數據,測量了反應堆中 4 種燃料(²³⁵U、²³⁸U、²³⁹Pu、²⁴¹Pu)中 2 種主要核素——²³⁵U 和 ²³⁹Pu 的裂變產物的中微子產額,與理論模型預期相比,發現反應堆中微子反常主要由 ²³⁵U 引起,而不是「惰性」中微子預言的不同核素貢獻相同,基本排除了「惰性」中微子對中微子反常的解釋,對中微子反常現象的理解具有重要意義。該成果被 Physical Review Letters 配以觀點文章推薦,被 Science 等多家科學雜誌報導。

2019 年大亞灣實驗利用核燃料演化數據,首次測得了分別對應於 ²³⁵U 和 ²³⁹Pu 釋放的中微子能譜。(中國科學院院刊供稿)