王贻芳:大亚湾中微子探测器巨细

王贻芳

编者按：大亚湾中微子实验的中微子探测器是6个还是8个，或3个之谜，请看王贻芳所长的细说。

一、大亚湾中微子探测器

大亚湾中微子探测器包括两部分：一是用于探测中微子信号的中微子探测器；二是用于探测本底的宇宙线探测器。选用水作为宇宙线探测器兼作屏蔽介质，中微子探测器置于其中。

为了减少统计误差，使其不影响总体精度，中微子探测器的靶材料应足够大。但是大型探测器会有很多其他问题，比如说隧道限制、运输和建造困难等等。为此采用多个独立小探测器模块的方式，每个模块完全相同，相互之间可以互相校验，也防止因一个模块出现故障而导致整个实验失败。综合考虑利弊后，决定近端探测器放2个模块，远端探测器采用4个模块以提高事例率。

为了减少系统误差，仔细分析了过去实验的问题与经验，将中微子探测器设计成三层同心圆柱结构，直径5米、高5米、总质量100吨。最里层为20吨掺钆的液体闪烁体，作为中微子的靶；中间是集能层，由20吨普通液体闪烁体构成，用来收集中微子事例在边界的能量沉积，以提高判选效率，降低误差；最外层为40吨矿物油用来屏蔽外部材料，特别是光电倍增管玻璃造成的天然放射性本底，矿物油内置192只8英寸（1英寸=2.54厘米）光电倍增管，以探测中微子在液体闪烁体中产生的信号；每层之间用有机玻璃隔开。整个探测器质量110吨。

反应堆中微子的能量较低，宇宙线和探测器及其周围物质中的天然放射性都能给其带来大量本底。为了减小宇宙线本底，中微子探测器必须放在较深的地下，同时周围必须被2米以上的水层覆盖，以屏蔽周围的环境本底。大亚湾实验还构造了多重反符合探测器，一是在水屏蔽中放置两层光电倍增管，用来探测宇宙线在水中产生的切连科夫辐射，且可以互相校验。在水池顶部，放置四层阻性板探测器。以上探测器组合，总效率可达到99.5%，误差小于0.25%。

综合本底和探测器的系统误差，得到大亚湾实验对sin22θ13的测量误差为0.4%左右，是世界上同类实验精度最高者。

大亚湾反应堆中微子实验工程2007年底开工建设，开始了总长3.1公里的隧道开挖和地面大厅的建设。地下隧道为6.2米宽，7.2米高，该隧道的尺寸能保证运输5米直径、5米高的中微子探测器。在距核反应堆最近只有300多米的地方长期进行爆破，是一项极为困难与特殊的任务。国家核安全局为此设定了严格的要求，即反应堆顶部的震动不超过0.007g（g为重力加速度），即震动的最大加速度为0.007g，以保证核反应堆的绝对安全。为此,设计和施工单位通过计算与实验研究，采取了特殊的爆破方案和管理措施,在为期三年的建设中，共爆破近3000次，没有一次超过国家核安全局设定的要求，安全完成全部爆破任务。

大亚湾探测器的研制经历三年时间，其间克服了许多在国际上也属首次的技术困难，完成了一些具有世界先进水平的探测器部件，如高精度、低放射性的薄壳不锈钢罐，5米直径不锈钢法兰的真空密封，4.6米直径有机玻璃反射板，近200吨掺钆液体闪烁体等。到2010年设备研制基本完成，开始进入探测器的组装与安装阶段。

中微子探测器的组装在地面安装大厅里的洁净间进行。探测器安装完成后，要进行真空检漏，保证其处于水下2.5米时，水不会漏进探测器。一切完成后，将探测器运至地下灌装大厅，将生产好的液体闪烁体灌入探测器。将装满液体的探测器运至地下实验大厅，吊入水池，再安装上各种气管和电缆，探测器即处于可工作状态。中微子探测器完成安装后，就可以对水池灌水。随后，将水池用避光、密封的薄膜盖上，顶部充上氮气，再将阻性板盖在水池上，探测器就可以开始运行了。

2011年8月15日完成大亚湾近厅的探测器安装，当天就看到了中微子事例。同时科学家们通过研究，设定了探测器的运行条件，开始了探测器的调试、刻度与事例重建，研究探测器的各种响应曲线，定量测量中微子事例。

2011年11月5日，岭澳近厅完成安装和探测器调试，开始物理取数。

2011年12月24日，远厅完成安装和探测器调试，开始物理取数。至此，大亚湾实验基本完成建设与安装任务，正式开始物理实验。

中微子事例的物理分析包括以下几个步骤。

（1）刻度与标定能量，使探测器的响应能与物理量准确对应;

（2）选取事例，排除本底；

（3）定量分析遗留的本底事例和事例选取的效率，给出误差；

（4）计算中微子探测器的预期能谱与流强，包括反应堆中微子的流强与能谱，中微子探测器与反应堆距离的精确测量和中微子探测器靶质量的测量；

（5）结合中微子探测器的预期能谱与流强，比较近点与远点的测量结果，判断是否有中微子消失现象，给出中微子振荡的分析结果。

采用约55天的数据进行分析，发现远厅中微子事例比预期大约少了6%，即

R=0.940±0.011（统计误差）±0.004（系统误差）,

因此得出结论，反应堆发出的反电子中微子有消失现象。同时也发现能谱畸变，与中微子振荡的预期符合。

反电子中微子的消失如用中微子振荡解释，其振荡概率的振幅为：

Sin22θ13=0.092±0.016（统计误差）± 0.005（系统误差），

因此认为发现了θ13不为零的证据，其信号显著性为5.2倍标准偏差，即振荡不存在的概率为一千万分之一。

 θ13不为零的发现，说明发现了一种新的中微子振荡模式，使我们对物质世界的基本规律有了新的认识。这种振荡的振幅比预期要大得多，使我们能够很好地准备下一代物理实验，解决中微子振荡中另外两个问题： 中微子质量顺序与中微子振荡中是否有宇称和电荷反演破坏。

大亚湾实验共有250多位学者参加，来自38所大学、研究所或国家实验室，包括中国大陆15个研究单位、香港与台湾地区5个，美国16个，俄国及捷克各1个。大亚湾实验在许多方面开创了国内基础科学研究的先河。它是第一个在基础科学研究方面以我国为主，有国外大规模参与，在中国本土进行的项目；第一个有地方政府参与的大规模基础科学研究项目，广东省和深圳市政府均对项目投入资金支持；第一个有企业参与的大规模基础科学研究项目，大亚湾核电站的业主--中国广东核电集团除在各方面对实验给予方便与支持之外，也在经费上给与大力支持。大亚湾实验是一个在中国本土进行的，有重要国际影响的重大基础科学研究项目，也是中美两国目前在基础科学研究领域最大的合作项目之一。

二、中微子振荡及其探测

我们所知道的物质世界由12种基本粒子构成,包括6种夸克，3种轻子和3种中微子。这些基本粒子中只有中微子不带电，仅参与非常微弱的弱相互作用，极难探测到。而宇宙中存在大量的中微子，每种中微子约为100个/厘米3，与光子数相当。由于中微子数量巨大，其质量是否为零，对粒子物理、天体物理以及宇宙学都具有根本性的影响。如果中微子具有极微小的质量，就会影响宇宙的形成和演化，影响宇宙中大尺度结构的形成，影响我们今天看到的整个世界。因此中微子在微观的粒子物理规律和宏观的宇宙起源及演化中都有着十分重大的作用。

迄今，我们对中微子的研究仍集中在以下几个基本问题：中微子质量是多少？它有没有内部结构？它的反粒子是像光子一样就是它本身，还是像电子一样，有其对应的另一个粒子？由于对天体物理及宇宙学的重要性，中微子质量问题居于中心地位。

中微子有一个特殊的性质，即中微子振荡。1960年代，意大利裔苏联物理学家庞蒂科夫（B. Pontecorvo） 提出，如果中微子有质量，且其质量本征态不同于弱作用本征态，由量子力学的基本原理可推知不同的中微子在飞行中能够互相转换，即由一种中微子变为另一种中微子，称为中微子混合或中微子振荡。中微子振荡之所以得到重视，成为中微子物理研究乃至粒子物理研究的中心之一，是因为它与中微子质量有关，是判断中微子质量是否为零的最灵敏办法。

三种不同的中微子ν1, ν2, ν3之间有着两两相互转换的规律。其中，描述大气中微子振荡的混合角θ23和描述太阳中微子振荡的混合角θ12，已分别由美国南达科他州霍姆斯特克（Homestake）探测器、日本超级神冈（Super-K）探测器、加拿大萨德伯里中微子天文台（SNO）与神冈液体闪烁器反中微子探测器（KamLAND）等实验证明不为零，即中微子之间发生了振荡。由于中微子振荡对粒子物理、天体物理及宇宙学的重要意义，负责Homestake实验的戴维斯（R. Davis ）与负责Super-K实验的小柴昌俊分享了2002年度的诺贝尔物理学奖。

混合角θ13是中微子物理中基本的参数，同时其数值的大小决定了中微子振荡中的电荷宇称（CP）相角δ 是否能被实验观测到，而该CP相角与宇宙中"反物质消失之谜"有关，决定了未来中微子物理研究的发展方向。大亚湾实验就是要测量混合角θ13。

要研究中微子，首先就要有合适的中微子源。测量中微子，实际上是测量中微子与探测器及周围物质相互作用的产物。中微子有极强的穿透力，作用率极低，因此对其测量十分困难。

核电站在发电时，其核反应过程产生大量的反电子中微子。如果发生振荡，一部分反电子中微子会转化为另一种不能被探测到的中微子，因而观测到的中微子数会偏少，能谱也有畸变。通过对中微子总数与能谱的测量，可以确定θ13的大小。

三、大亚湾中微子探测实验布局

用反应堆中微子实验测量θ13是国际粒子物理实验的热点。中国科学院高能物理研究所的专家们自2003年起进行了大量的研究和计算，并通过实地考察，提出了利用大亚湾反应堆测量中微子混合角θ13的设想。与此同时，日本、美国、欧洲和韩国等也提出了各自的方案，前后共有8个方案之多。

大亚湾核电站在反应堆中微子实验上有得天独厚的优势。不仅反应堆的总功率大（世界上第二大核反应堆群），更重要的是附近有山，可以建立地下实验室，以提供足够的屏蔽。对低能量、低事例率、高精度的中微子实验来说，减少宇宙射线和天然放射性本底是最重要的前提。

富含质子而发光效率高的液体闪烁体被广泛用于低能中微子实验中。反应堆产生的反电子中微子与探测器中掺钆的液体闪烁体发生如下的反β衰变反应，产生正电子与中子信号：

νc + p → e+ + n 。

上述反应产生的正电子在液体闪烁体中发生电离损失并与电子湮没形成快信号；中子慢化后为液体闪烁体中的钆俘获，放出能量总共为 8 兆电子伏的数个光子，形成延迟信号。因此判定中微子的条件就是有一个快信号和一个慢信号。液体闪烁体中掺钆是为了降低环境本底，提高中微子信号的质量。

自1980年代起，国际上已成功完成近10个反应堆中微子实验。探测器与反应堆的距离由20多米发展至200公里，质量由几十公斤发展至几千吨，积累了大量的经验。其精度一般在3%～6%。大亚湾实验为了达到在90%的置信水平下0.01的灵敏度，要求实验的总误差小于0.5%。因此采用了相对测量的办法，在最优化基线处（振荡最大值处）放置远端探测器和在离反应堆很近的地方放置完全相同的近端探测器，用以测量近端和远端不同距离时中微子事例相对的存活概率（振荡概率），以消除反应堆中微子通量及其能谱的误差，也部分抵消探测器的系统误差。

考虑到大亚湾反应堆群的特殊布局，实验采用3个探测器。两个近端探测器分别对大亚湾（距离364米）和岭澳（距离504米）的反应堆进行测量，远端探测器距岭澳核电站为1615米，距大亚湾核电站为1985米。各探测器位置的选取经过了详细的最优化计算，主要影响因素包括与山体形状有关的宇宙线本底、反应堆造成的误差、探测器的系统与统计误差等。探测器设计成可移动的，同一探测器分别在近端和远端进行测量，利用它们之间的相对刻度，可以有效地消除其微小差异产生的误差，并有利于本底的精确减除。为了减少宇宙线本底，探测器必须有足够的岩石覆盖。为此，开挖了一条从地面进入山腹的隧道，连接3个放置探测器的地下实验厅。