文档介绍：大亚湾探微
于达维 预计于2010年底开始运行的大亚湾反应堆中微子实验项目,或将帮助科学家揭开宇宙中反物质“失踪”之谜
自10月13日由中国科学院高能物理研究所主持的大亚湾反应堆中微子实验项目正式破土动工以来,iba)因发现太阳中微子失踪现象以及观测到超新星中微子,再度在这一评选中折桂。
为了解释太阳中微子和大气中微子在传输过程中,观测值往往是理论值的三分之一到一半左右的“失踪”现象,科学界提出三种中微子(电子中微子、μ中微子以及τ中微子)的设想。根据这一理论,这三种不同“味道”(flavor)的中微子会相互转换,中微子的“失踪”,实际上是一种中微子转换成了无法探测到的另一种中微子,这种转换被称为“味振荡”(flavor oscillation)。
目前,决定振荡过程的振荡参数矩阵六个参数中的四个都已经得到。而大亚湾反应堆中微子实验项目,则把目光瞄准了第五个重要参数――θ13混合角。
目标θ13
负责此次试验项目总体设计的中科院高能物理所副所长王贻芳研究员在接受《财经》记者采访时指出,θ13混合角作为第五个参数,它所代表的是电子中微子和τ中微子之间转换的性质。
大亚湾核电站提供了探测θ13的绝佳场所。因为探测θ13,需要近距离观测能量比较低的中微子。虽然太阳中微子的能量小,但距离太远;大气中微子能量高,通量(单位时间内通过单位面积的粒子总数)也不够。而在距离反应堆2公里左右的地方,探测其产生的中微子,是一个比较好的选择。
在这里进行这项试验,不仅可以从数个百万千瓦的反应堆获得强大的中微子源,更重要的是,大亚湾核电站的背后,是如牙齿一样横列的群山,最高点排牙山海拔超过了700米。将探测仪器放进山洞之后,其上面绵延的山体,可以有效地屏蔽来自宇宙中其他射线的干扰。即使在全世界范围内,同时具备这两个条件的试验地点,也极为少见。
在山脚下,记者注意到,已经画出了一个白色的大圆,这就是放置探测器的洞穴入口位置,而整个洞穴将由此深入2000多米。两台挖掘机已经在平整场地准备施工。负责前期基建工作的中科院高能所张浩云研究员对《财经》记者表示,在国家核安全局正式下达爆破许可后,就可以开始打洞,整个工期预计将持续22个月。
在群山腹内,将建设三个实验厅,其中1号、2号厅为近端实验站,3号厅则为远端实验站。
两个近点探测器分别对大亚湾和岭澳的反应堆进行测量,其中,1号厅内的探测器与大亚湾的两个反应堆的直线距离为360米,2号厅内的探测器与岭澳一期两个反应堆以及二期两个反应堆的直线距离约为500米。3号厅作为远端实验厅,距离大亚湾核水平距离约1900米,距离岭澳二期大约1600米。建成之后,三个实验厅之间将通过隧道相连接。
根据设计,在三个探测厅里,有八个直径5米、高5米的圆柱形探测器,将被分别浸泡在三个纯净水池中。一旦中微子与探测器中的氢原子核发生作用,就会发射出伽马射线。而利用中微子近端和远端的距离变化,就可以进行中微子振荡的相对测量。
中科院高能所实验物理中心曹俊研究员告诉《财经》记者,反应堆平均每次裂变,都会放出六个中微子,预计每天近点探测器可以探测到1000个中微子,远点则为每天80个。之所以数量相差悬殊,是因为探测到的中微子个数,跟距离的平方成反比关系;这样,只要我们知道了近点有多少个中微子,就可以精确地预测远点探测到的中微子个数。而如果远点上观测到的中微子少于预测,就意味着发生了“味振荡”。
由于每天探测到的中微子数量不会很多,要精确测定它们的性质,需要大量的数据,所以整个试验将持续整整三年时间。
所谓θ13混合角,指的并不是两种中微子运行路径的夹角,而是两种中微子之间的转换几率。而最终的测量结果,无论大小,很可能都将改变历史。
早在1928年,英国物理学家、1933年诺贝尔奖物理学奖获得者狄拉克(Paul Dirac)就提出了反物质理论,认为应该存在构成上与物质类似,但是基本粒子带电正好相反的反物质;如果反物质和物质相遇,则立刻湮灭转变为能量。
之后,人们陆续人工制造出了正电子、反质子等反物质粒子;但是过去近80年的时间里,在人类可观测到的150亿光年宇宙范围内,科学家一直没有发现自然界中有反物质存在的迹象。
根据目前普遍接受的“大爆炸”(big bang)理论,宇宙在诞生之时,物质与反物质应该是同时产生的。但问题是,反物质现在怎么消失了?这是一个巨大的疑问。可能的答案有两种――反物质现在已经彻底不存在了,或者它仍在别处。
而中微子振荡参数矩阵中的第六个,也是最后一个参数――CP相位角,或许是揭开最终谜底的一