大亞灣「產量高」成「研究勝地」 文匯報  教育  2012-03-09


 由於「中微子」主要從核反應產生,匯集核反應堆的核電廠,便成為「中微子」實驗不可多得的「寶庫」。「中微子」振盪實驗香港統籌學者朱明中解釋指,是次實驗選址大亞灣,與其周邊地理環境及核電廠能量強度有密不可分的關係。由於電廠旁邊有300多米高山坡,實驗室設於深入共3公里長隧道中。隧道上方石頭能阻隔來自太空的宇宙射線造成的干擾,「而嶺澳及大亞灣總共有6個核反應堆運作,能量強度屬全世界首5名。核反應愈大,釋放的中微子愈多,收集數據更精確」。

 今次項目始自2004年,來自香港的加州大學柏克萊分校教授陸錦標,發現大亞灣為「中微子」「研究勝地」,於是與中科院聯繫並提出方案,其後成功開展中美歷來最大規模的基礎研究合作,獲多個地區學者參與。

 有關方面2007年起動工,於核電廠旁的山坡挖掘深入近3公里的隧道,並於當中建設2個近端實驗廳(即較接近核反應堆)及1個遠端(離核反應堆較遠)實驗廳,共設8個各高5米、直徑5米、重110噸、裝滿特製液體的「中微子」探測器,其中6個已裝置並開始讀數。

 近端探測器會測量有多少從核電廠反應堆產生的電子類反「中微子」通過,然後再透過約2公里遠的遠端探測器所獲資料,可望分析出θ13數值。

研資局撥1,710萬助研究

 至於參與研究的香港團隊,包括港大及中大10多名研究生。香港研資局協作研究金,先後兩輪撥款1,710萬元,讓香港團隊參與設計及建造探測器中的礦物油監察系統及氮氣封閉系統,以及實驗場全天候氡氣監察系統,亦有份參與收集數據及分析工作。

香港仔隧道 做輔助實驗

 另港大、中大、加州柏克萊、台灣大學、台灣交通大學、中科院高能物理研究所,利用香港仔隧道環境,於隧道管道間實驗室進行一個有關大亞灣「中微子」輔助實驗,探討穿透力極強的高能量宇宙射線如何與其他物質產生反應。多名港大、中大物理系本科生均有機會參與有關實驗。

 由於香港仔隧道實驗室和大亞灣實驗廳環境相似,上面山坡同樣有300多米高石頭阻隔宇宙射線,從中收集的數據有助成為大亞灣實驗重要對照數據。



揭「幽靈粒子」奧秘 解反物質消失之謎 中科院統籌港學者參加實驗成探索宇宙大爆炸線索  文匯報  2012-03-09


 香港文匯報訊(記者 任智鵬)大亞灣是全中國核能發展焦點,更有望成為人類探索物質終極結構開端。匯集中文大學與香港大學,以及內地、美國、台灣、俄羅斯、捷克30多個研究機構約250名頂尖科學家超大型「大亞灣中微子振盪實驗」,昨日首次發表探測結果,破天荒精確得出當中參數「θ13」數值為0.092。是次精確數據揭示被稱為「幽靈粒子」的「中微子」(Neutrinos,ν)變化奧秘,以及為破解137億年前宇宙大爆炸(Big Bang)後的「反物質消失之謎」提供重要研究指引,揭開宇宙學新一頁。

 實驗由中國科學院統籌,深入大亞灣核電廠旁周邊山坡實驗基地進行。香港中大物理學系教授朱明中、港大物理系副教授梁幹莊及助理教授潘振聲,均於實驗籌備階段已開始參與。

 實驗組昨日於北京進行新聞發布會,指去年12月24日至今年2月17日期間,6台巨型「中微子」探測器,探測到上萬次電子類中微子訊號。而透過比較不同探測點數據,專家發現「中微子」數量在穿梭過程中減少。以有關參數「θ13」代表,有關測量數值為0.092,誤差為0.017。科學界歷來第一次得出「θ13」精確數值。

助研「中物質」「反物質」

 實驗組聯席發言人、中科院高能物理研究所所長王貽芳形容,結果令人類對中微子產生新理解,更可望為進一步探討現時宇宙「中物質」(matter)及「反物質」(antimatter)不對稱情況奠下科學基礎。

 朱明中接受香港文匯報訪問時解釋指,根據宇宙起源「大爆炸理論」,大爆炸前只有能量而沒有物質質量存在。直至大爆炸一刻,按愛因斯坦公式「E=mc2」,能量(E)轉化成質量(m)(註:c為光速常數,約等於3億),宇宙才誕生。在有關過程中,「物質」和「反物質」數量理應對等,但是現今人類觀測到的宇宙,卻只剩下物質,絕大部分「反物質」卻像謎一般消失了。

 他續指「中微子」為數量最多的基本粒子,總體質量為各種粒子中最大。而現時每個立方厘米小方塊中,仍有達300粒是宇宙大爆炸後殘留物。憑著種種跡象,科學界一直相信「中微子」於「物質/反物質」演化過程中扮演極重要角色。若能破解「中微子」變化奧秘,可望為追蹤「反物質消失之謎」帶來革命性影響。

 梁幹莊和潘振聲表示,是次實驗結果令科學家知道如何設計往後的「中微子」實驗,進一步探討「反物質」問題,以及開展更多與「中微子」相關的物理研究方向。

教授:自然界善待我們

 另一實驗聯席發言人、加州大學柏克萊分校教授陸錦標指,是次準確測量到有6%「電子類反中微子」因「中微子振盪」消失,數值遠大於預期。未得出實驗結果前,物理學界一直都擔心「θ13」數值等於零,或推翻物理學家之前一些重要假設。陸錦標笑言,幸好現初步錄得「θ13」數值「相當巨大,可見自然界對我們很友好。」

大亞灣未來續收集數據

 未來數月至數年,大亞灣實驗會繼續收集數據進一步提高準確度,並為新一代中微子實驗設計奠基,助人類一步一步探析宇宙物質根本。



破解宇宙“反物質”之謎再添新鑰匙  晶報   2012-03-09


  兩個直徑5米、高5米的中微子探測器。 新華社發


如果你看過好萊塢科幻大片《2012》,可能對“中微子”這個名詞有點印象:太陽活動突然加劇,釋放出大量的中微子,地核被這些中微子加熱並熔化,帶來了劇烈的地震和火山爆發,於是,世界面臨滅頂之災。實際上,中微子遠沒有這麼可怕,相反,它還將成為人類探究未知世界的鑰匙:昨天,大亞灣中微子實驗國際合作組宣佈,在深圳大亞灣核電站進行的中微子實驗中,發現了一種新的中微子振蕩,並測量到其振蕩幾率。這個成果意味著人類有可能解開一個關係到宇宙起源的“千古之謎”——“反物質”是怎麼消失的?

昨天下午14時,大亞灣中微子實驗國際合作組發言人王貽芳在北京宣佈,大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振蕩,並測量到其振蕩幾率。介紹該結果的論文已于3月7日送交美國物理評論快報(Physical Review Letters)發表,其預印本也已在網上發表。

王貽芳說,中微子有一個特殊的性質,即它可以在飛行中從一種類型轉變成另一種類型,通常稱為中微子振蕩。原則上三種中微子之間相互振蕩,兩兩組合,應該有三種模式。其中兩種模式自上世紀60年代起即有跡象,當時稱作“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年日本的超級神岡實驗正式發現大氣中微子振蕩,隨後太陽中微子振蕩也被多個實驗證實。第三種振蕩則一直未被發現,甚至有理論預言其根本不存在(即其振蕩幾率為零)。

王貽芳介紹說,中國科學院高能物理研究所的科研人員2003年提出設想,利用我國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子,來尋找中微子的這第三種振蕩並提出方案。

由於這一方案具有獨特的地理優勢和獨到的設計,得到了國際上的廣泛支持,目前匯集了來自中國大陸、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國台灣等6個國家和地區的200多名科學家共同參與。

在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中,科研人員使用了6個中微子探測器,完成了實驗數據的獲取、質量檢查、刻度、修正和數據分析。結果表明中微子第三種振蕩幾率為9.2%,誤差為1.7%,從而首次發現了這種新的中微子振蕩模式。

釋疑?

中微子實驗

為何選深圳大亞灣

據戴能雄介紹,在大亞灣開展這個實驗,具有得天獨厚的優勢。首先,這裡有全球第二大的反應堆群(大亞灣核電站與嶺澳核電站),能夠提供強的中微子流;其次,這裡鄰近高山,適合建立地下實驗室以屏蔽宇宙射線對實驗的干擾;在全世界的反應堆中,同時具備這兩個條件的極為少見。

謎團?

反物質

到底去哪裡了

反物質是宇宙中最大的謎團之一。根據“大爆炸理論”,宇宙誕生于約137億年前的一場大爆炸。根據物理理論,能量轉化為物質後,宇宙中的正反物質應一樣多,正反物質接觸後會彼此毀滅對方。然而,人們卻一直未能觀測到反物質的存在。這個“謎團”,一直是困擾並吸引著科學家們的最大物理難題之一。

華裔著名物理科學家丁肇中對於“反物質”也有多年的精湛研究,並多次推出“反物質”的驗證實驗。

反物質的威力如何,目前還不知,但在一些科幻作品中已常被提起。在美國科幻片《星際迷航》里,宇航員把反物質用作星際飛船燃料進行太空之旅。而在美國作家丹·布朗暢銷小說《達·芬奇密碼》的姊妹篇《天使與魔鬼》中,反物質被描述成威力最大的能量源,一小“滴”便可維持紐約全天所需能量。同樣,0.25克就足以將一座城市從地球上抹去。

□足跡

發現中微子,中國人是先驅

“中微子,是一種很奇妙的東西”,昨天晚上,核物理學家、深圳大學原創造發明中心副主任戴能雄對晶報記者說,中微子是1930年物理學家泡利提出的。根據科學家的研究,中微子是一種極其微小,幾乎不與其他物質發生相互作用,卻具有極強穿透力的物質,可以穿越人體、金屬,甚至穿透地球。

但是,當時中微子只是一種假說,人類尚不能證明它的存在。為了尋找中微子,衆多科學家進行了艱苦的研究。這時候,有一位中國青年物理學家走在了前列。“他就是後來廣為人知的‘兩彈元勳’王淦昌”,戴能雄說,1941年,王淦昌寫了一篇題為《關於探測中微子的一個建議》的文章,發表在次年美國的《物理評論》雜誌上;1942年6月,該刊發表了美國物理學家艾倫根據王淦昌方案作的實驗結果,證實了中微子的存在,這就是著名的“王淦昌—艾倫實驗”;因此,王淦昌為人類證實中微子的存在作出了傑出的貢獻,在中微子研究的起步階段就為中國人留下了足跡。

□背景

大亞灣

中微子實驗

大亞灣中微子實驗是中國基礎科學領域目前最大的國際合作項目,也是美國能源部基礎研究領域對外投資第二大的國際合作,其2006年立項,2007年10月動工,2011年年中逐步完成探測器的建造與安裝,同年8月開始近點取數、12月下旬開始遠近點同時運行。整個實驗建有總長3公里的隧道和3個地下實驗大廳,3個實驗大廳共放置8台中微子探測器,每台探測器高5米、直徑5米、重110噸,均置於10米深的水池中。

□歷史年表

中微子,諾獎大戶

1930年,科學家泡利預言中微子的存在。

1956年,美國萊因斯和柯萬在實驗中直接觀測到中微子,萊因斯獲1995年諾貝爾獎。

1962年,美國萊德曼,舒瓦茨,斯坦伯格發現第二種中微子——繆中微子,獲1988年諾貝爾獎。

1968年,美國戴維斯發現太陽中微子失蹤,獲2002年諾貝爾獎。

1985年,日本神崗實驗和美國IMB實驗發現大氣中微子反常現象。

1987年,日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。日本小柴昌俊獲2002年諾貝爾獎。

1989年,歐洲核子研究中心證明存在且只存在三種中微子。

1998年,日本超級神崗實驗以確鑿證據發現中微子振蕩現象。

2000年,美國費米實驗室發現第三種中微子,陶中微子。

2001年,加拿大SNO實驗證實失蹤的太陽中微子轉換成了其它中微子。

2002年,日本KamLAND實驗用反應堆證實太陽中微子振蕩。

2003年,日本K2K實驗用加速器證實大氣中微子振蕩。

2006年,美國MINOS實驗進一步用加速器證實大氣中微子振蕩。

“鑒於中微子研究對宇宙起源與發展的重大意義,1988年以來,已經有3次諾貝爾物理獎頒給了在中微子研究方面取得突破性進展的西方和日本科學家;如果此次中微子振蕩實驗取得的進展取得國際學術界認可,參與研究的科學家完全有資格獲得諾貝爾獎。

——核物理學家、深圳大學原創造發明中心副主任戴能雄

(中圖)通往大亞灣中微子實驗廳的隧道內滿布各種通風、動力、供水等管線。 新華社發

(下圖)大亞灣反應堆中微子實驗的布局示意圖。圖中六個藍圓點為反應堆,黃線為隧道,黃色的圓柱體為中微子探測器。

據大亞灣反應堆中微子實驗工程網站