中微子振蕩混合角θ13的國(guó)際最精確測(cè)量
清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)突出
清華新聞網(wǎng)5月11日電 日前，在《美國(guó)物理評(píng)論》（Physical Review D）期刊上，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)表長(zhǎng)篇文章—大亞灣基于氫俘獲的θ13新測(cè)量（New measurement of θ13 via neutron capture on hydrogen at Daya Bay），給出目前國(guó)際上最精確的中微子混合角θ13測(cè)量值。該文章被選為當(dāng)期的編輯推薦文章。在此項(xiàng)成果中，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)參與其中并貢獻(xiàn)突出。
精確的θ13測(cè)量值可以與加速器中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)量值結(jié)合，為未來確定三代中微子質(zhì)量排序與中微子電荷-宇稱破缺相位提供了可能性。這不僅可以進(jìn)一步了解中微子的屬性，還將繼續(xù)推動(dòng)科學(xué)研究揭開自然界正反物質(zhì)不對(duì)稱性之謎。大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)利用中子在釓上的俘獲和在氫（hydrogen）上的俘獲，進(jìn)行兩種不同的數(shù)據(jù)樣本分析。清華大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)主要利用中子氫俘獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析。
圖注：大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)布局
大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)位于深圳大亞灣核電站內(nèi)，于2011年8月開始運(yùn)行取數(shù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)建有兩個(gè)近點(diǎn)、一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳，遠(yuǎn)近點(diǎn)聯(lián)合分析極大地消除θ13測(cè)量中的系統(tǒng)誤差。大亞灣實(shí)驗(yàn)利用反應(yīng)堆釋放的電子型反中微子與探測(cè)器靶物質(zhì)中質(zhì)子的反貝塔衰變探測(cè)中微子信號(hào)。來自于此反應(yīng)的瞬時(shí)的正電子信號(hào)和延遲的中子俘獲信號(hào)的符合測(cè)量可以極大得減少實(shí)驗(yàn)本底，提高信噪比。據(jù)悉，來自中國(guó)、美國(guó)和其他國(guó)家與地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)，近200名科研人員參加了大亞灣實(shí)驗(yàn)。2015年大亞灣合作組因發(fā)現(xiàn)中微子的第三種振蕩模式而獲得了2016基礎(chǔ)物理突破獎(jiǎng)。
早在2006年，清華大學(xué)作為國(guó)內(nèi)第二大參與單位參與了該實(shí)驗(yàn)。其中工程物理系中微子實(shí)驗(yàn)小組領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)由山東大學(xué)、南開大學(xué)、臺(tái)灣交通大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、中山大學(xué)組成的團(tuán)隊(duì)，利用在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中的中子氫俘獲數(shù)據(jù)，獨(dú)立進(jìn)行θ13測(cè)量，加強(qiáng)了對(duì)該方法所面臨的探測(cè)器響應(yīng)的理解，提高了該方法對(duì)應(yīng)本底的分析精度，得到了目前國(guó)際上采用該技術(shù)得到的最好結(jié)果。此次大亞灣合作組發(fā)表的結(jié)果正是由清華大學(xué)工程物理系團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)，并與之前中子釓俘獲的分析結(jié)果結(jié)合，給出了θ13的國(guó)際最精確測(cè)量值。
圖注：中微子隨距離的振蕩曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。
近年來，清華大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在中微子實(shí)驗(yàn)中項(xiàng)目中，不斷加大研究力度。繼大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)之后，由中國(guó)主持的第二個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)——江門中微子實(shí)驗(yàn)于2014年底開始建設(shè)，計(jì)劃2020年投入運(yùn)行，利用直徑近40米，含有約2萬噸液閃的球形探測(cè)器，首要目標(biāo)確定三代中微子的質(zhì)量排序。清華大學(xué)工程物理系、土木工程系與微電子研究所也參與其中的探測(cè)器及電子學(xué)研制工作。江門中微子實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)也是基于大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的θ13測(cè)量。
此外，由清華大學(xué)工程物理系團(tuán)隊(duì)主持的錦屏中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也已展開，該實(shí)驗(yàn)計(jì)劃建造千噸級(jí)的中微子探測(cè)器并安置在清華大學(xué)主持建造的中國(guó)錦屏極深地下實(shí)驗(yàn)室（CJPL），利用2400米巖石覆蓋以及距沿海反應(yīng)堆群1千公里以上的天然優(yōu)勢(shì)條件，來獲得極低的宇宙線和由其產(chǎn)生的散裂本底，以及極低的反應(yīng)堆中微子本底。基于此，錦屏中微子實(shí)驗(yàn)可以比其他實(shí)驗(yàn)更好地測(cè)量太陽中微子和地球中微子。這對(duì)中微子性質(zhì)的進(jìn)一步研究，對(duì)太陽運(yùn)行機(jī)制、物質(zhì)組成以及對(duì)地球內(nèi)部物化反應(yīng)等問題的探索起著重要作用。
背景鏈接：
三代中微子之間的振蕩由意大利核物理學(xué)家Bruno Pontecorvo于1957年提出。日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)的梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大薩德伯里實(shí)驗(yàn)的阿瑟.麥克唐納(AuthurB. McDonald)發(fā)現(xiàn)了大氣中微子和太陽中微子振蕩的確鑿證據(jù)，并于2015年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。反應(yīng)堆中微子的振蕩作為證實(shí)中微子振蕩的最后一環(huán)，于2012年被大亞灣實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)。而此次的科研成果則給出了最為精確的測(cè)量結(jié)果。
論文鏈接：
Phys. Rev. D 93, 072011 (2016)，http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.93.072011
供稿：工物系 編輯：襄樺 華山 常松
