預計于2010年底開始運行的大亞灣反應堆中微子實驗項目，或?qū)椭茖W家揭開宇宙中反物質(zhì)“失蹤”之謎

自10月13日由中國科學院高能物理研究所主持的大亞灣反應堆中微子實驗項目正式破土動工以來，大亞灣西北部的排牙山就成了全世界物理學界關注的焦點。

在深圳市區(qū)向東約四五十公里，靜謐的大鵬半島東部，坐落著兩座龐大的核電站——總裝機容量各為200萬千瓦的大亞灣核電站以及嶺澳核電站。大亞灣核電站居南，嶺澳核電站靠東北，兩個核電站相距1公里左右，分別擁有兩個百萬千瓦的反應堆。如果加上正在施工的二期項目，到2011年，嶺澳核電站將新增兩座百萬千瓦的反應堆，從而使得這一區(qū)域的總裝機容量達到600萬千瓦。

站在大亞灣核電站的觀景臺上，這四座反應堆灰白色的保護外殼赫然在目，在其內(nèi)部，每時每刻都在產(chǎn)生巨大的能量。整個香港地區(qū)四分之一以及廣東省十分之一的電力供應，都依賴于這里。

除了強大的電力，反應堆同時產(chǎn)生的，還有很多人類尚沒有真正了解其性質(zhì)卻蘊涵著宇宙最原始奧秘的眾多基本粒子。

科學家們希望通過探測這兩個核電站反應堆在發(fā)電時的自然產(chǎn)物——中微子，徹底揭開籠罩在這種神秘粒子身上的“迷霧”?；蛟S這將幫助人類最終了解宇宙的誕生及演變規(guī)律。

“三次諾貝爾獎”量級的問題

時間最早可以追溯到1930年12月4日，在德國圖賓根舉行的一次研討會上，與會的人員收到了著名物理學大師、1945年諾貝爾獎物理學獎得主泡利（Wolfgang Pauli）帶來的一封信。

在信中，他“絕望”地假設一種中性的、小質(zhì)量的粒子存在，因為如果沒有這種粒子存在，在β衰變過程中能量將不守恒。而能量守恒，一直被公認為最基本的物理法則。

β衰變，即中性的中子衰變成帶正電的質(zhì)子和帶負電的電子的過程。從20世紀初，科學界就發(fā)現(xiàn)一種奇怪的現(xiàn)象，那就是β衰變過程中能量會出現(xiàn)虧損。物理學史上著名的“哥本哈根學派”鼻祖、1922年諾貝爾獎物理學獎得主玻爾（Niels Bohr）據(jù)此認為，在β衰變過程中，能量守恒定律很可能是失效的。

然而，問題在于，如果能量不守恒，整個物理學“大廈”的“基座”都將被顛覆。

第二年春天舉行的國際核物理會議上，泡利試圖重新恢復能量守恒，辦法是假設中子在衰變過程中，除了生成質(zhì)子、電子，同時還產(chǎn)生了一種質(zhì)量很小的中性粒子；正是這種未知粒子帶走的能量，導致了能量虧損的出現(xiàn)。1933年，意大利著名物理學家、1938年諾貝爾獎物理學獎得主費米（Enrico Fermi）把帶走能量的這個“小偷”，正式命名為中微子（neutrino）。

根據(jù)現(xiàn)代粒子物理的認識，構(gòu)成我們這個物質(zhì)世界的最基本粒子為12種費米子（fermion）。其中包括六種夸克（上、下、奇異、粲、底、頂）、三種帶電輕子（電子、μ子和τ子）以及三種中微子（電子中微子，μ中微子和τ中微子）。與另外兩種基本粒子相比，中微子質(zhì)量極小，小于電子質(zhì)量的百萬分之一；與最重的頂夸克相比，其質(zhì)量更是只有前者的萬億分之一。

由于中微子幾乎無所不在，了解這種粒子的真實面目，對于我們了解物質(zhì)的最終奧秘至關重要。宇宙大爆炸時會產(chǎn)生宇宙背景中微子，超新星爆發(fā)時質(zhì)子和電子合并成中子的過程會產(chǎn)生中微子，太陽這一類恒星上的核反應會產(chǎn)生太陽中微子，高能宇宙線與大氣層中原子核發(fā)生核反應之后也會衰變成“大氣中微子”，更不用說在地球上β衰變產(chǎn)生的中微子了。

實際上，在地球1平方厘米的地面上，每秒鐘就會落下大約600億個中微子。中科院理論物理所研究員吳岳良對《財經(jīng)》記者說：“每時每刻，都會有大量中微子從我們的身體里穿過，只不過它并不會對人體造成任何傷害，所以無從察覺?！?/p>

由于中微子只參與非常微弱的弱相互作用，即使穿越地球那么厚的物質(zhì)，發(fā)生反應的幾率只有一百億分之一，因此要檢測到中微子非常困難。所以，這個概念被提出整整26年后，1956年，科學家才在實驗室中第一次觀測到這種神秘粒子的存在。

由于其行蹤最為詭秘，所以對中微子的每一點深入了解，幾乎都會成為物理學界的轟動性事件。從發(fā)現(xiàn)中微子到現(xiàn)在，已經(jīng)有三次諾貝爾獎物理獎頒發(fā)給了這一領域的研究。

1988年，美國科學家萊德曼（Leon Lederman）、舒瓦茨（Melvin Schwartz）和斯坦伯格（Jack Steinberger），就因為發(fā)現(xiàn)第二種中微子——μ中微子而獲諾貝爾獎；1995年，美國科學家萊因斯（Frederick Reines）因為1956年在實驗中首次觀測到中微子，而與τ子的發(fā)現(xiàn)者分享了這一殊榮；到了2002年，美國科學家戴維斯（Raymond Davis）和日本科學家小柴昌?。∕asatoshi Koshiba）因發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤現(xiàn)象以及觀測到超新星中微子，再度在這一評選中折桂。

為了解釋太陽中微子和大氣中微子在傳輸過程中，觀測值往往是理論值的三分之一到一半左右的“失蹤”現(xiàn)象，科學界提出三種中微子（電子中微子、μ中微子以及τ中微子）的設想。根據(jù)這一理論，這三種不同“味道”（flavor）的中微子會相互轉(zhuǎn)換，中微子的“失蹤”，實際上是一種中微子轉(zhuǎn)換成了無法探測到的另一種中微子，這種轉(zhuǎn)換被稱為“味振蕩”（flavor oscillation）。

目前，決定振蕩過程的振蕩參數(shù)矩陣六個參數(shù)中的四個都已經(jīng)得到。而大亞灣反應堆中微子實驗項目，則把目光瞄準了第五個重要參數(shù)——θ13混合角。

目標θ13

負責此次試驗項目總體設計的中科院高能物理所副所長王貽芳研究員在接受《財經(jīng)》記者采訪時指出，θ13混合角作為第五個參數(shù)，它所代表的是電子中微子和τ中微子之間轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。

大亞灣核電站提供了探測θ13的絕佳場所。因為探測θ13，需要近距離觀測能量比較低的中微子。雖然太陽中微子的能量小，但距離太遠；大氣中微子能量高，通量（單位時間內(nèi)通過單位面積的粒子總數(shù)）也不夠。而在距離反應堆2公里左右的地方，探測其產(chǎn)生的中微子，是一個比較好的選擇。

在這里進行這項試驗，不僅可以從數(shù)個百萬千瓦的反應堆獲得強大的中微子源，更重要的是，大亞灣核電站的背后，是如牙齒一樣橫列的群山，最高點排牙山海拔超過了700米。將探測儀器放進山洞之后，其上面綿延的山體，可以有效地屏蔽來自宇宙中其他射線的干擾。即使在全世界范圍內(nèi)，同時具備這兩個條件的試驗地點，也極為少見。

在山腳下，記者注意到，已經(jīng)畫出了一個白色的大圓，這就是放置探測器的洞穴入口位置，而整個洞穴將由此深入2000多米。兩臺挖掘機已經(jīng)在平整場地準備施工。負責前期基建工作的中科院高能所張浩云研究員對《財經(jīng)》記者表示，在國家核安全局正式下達爆破許可后，就可以開始打洞，整個工期預計將持續(xù)22個月。

在群山腹內(nèi)，將建設三個實驗廳，其中1號、2號廳為近端實驗站，3號廳則為遠端實驗站。

兩個近點探測器分別對大亞灣和嶺澳的反應堆進行測量，其中，1號廳內(nèi)的探測器與大亞灣的兩個反應堆的直線距離為360米，2號廳內(nèi)的探測器與嶺澳一期兩個反應堆以及二期兩個反應堆的直線距離約為500米。3號廳作為遠端實驗廳，距離大亞灣核水平距離約1900米，距離嶺澳二期大約1600米。建成之后，三個實驗廳之間將通過隧道相連接。

根據(jù)設計，在三個探測廳里，有八個直徑5米、高5米的圓柱形探測器，將被分別浸泡在三個純凈水池中。一旦中微子與探測器中的氫原子核發(fā)生作用，就會發(fā)射出伽馬射線。而利用中微子近端和遠端的距離變化，就可以進行中微子振蕩的相對測量。

中科院高能所實驗物理中心曹俊研究員告訴《財經(jīng)》記者，反應堆平均每次裂變，都會放出六個中微子，預計每天近點探測器可以探測到1000個中微子，遠點則為每天80個。之所以數(shù)量相差懸殊，是因為探測到的中微子個數(shù)，跟距離的平方成反比關系；這樣，只要我們知道了近點有多少個中微子，就可以精確地預測遠點探測到的中微子個數(shù)。而如果遠點上觀測到的中微子少于預測，就意味著發(fā)生了“味振蕩”。

由于每天探測到的中微子數(shù)量不會很多，要精確測定它們的性質(zhì)，需要大量的數(shù)據(jù)，所以整個試驗將持續(xù)整整三年時間。

所謂θ13混合角，指的并不是兩種中微子運行路徑的夾角，而是兩種中微子之間的轉(zhuǎn)換幾率。而最終的測量結(jié)果，無論大小，很可能都將改變歷史。

早在1928年，英國物理學家、1933年諾貝爾獎物理學獎獲得者狄拉克（Paul Dirac）就提出了反物質(zhì)理論，認為應該存在構(gòu)成上與物質(zhì)類似，但是基本粒子帶電正好相反的反物質(zhì)；如果反物質(zhì)和物質(zhì)相遇，則立刻湮滅轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?/p>

之后，人們陸續(xù)人工制造出了正電子、反質(zhì)子等反物質(zhì)粒子；但是過去近80年的時間里，在人類可觀測到的150億光年宇宙范圍內(nèi)，科學家一直沒有發(fā)現(xiàn)自然界中有反物質(zhì)存在的跡象。

根據(jù)目前普遍接受的“大爆炸”（big bang）理論，宇宙在誕生之時，物質(zhì)與反物質(zhì)應該是同時產(chǎn)生的。但問題是，反物質(zhì)現(xiàn)在怎么消失了？這是一個巨大的疑問?？赡艿拇鸢赣袃煞N——反物質(zhì)現(xiàn)在已經(jīng)徹底不存在了，或者它仍在別處。

而中微子振蕩參數(shù)矩陣中的第六個，也是最后一個參數(shù)——CP相位角，或許是揭開最終謎底的一把“金鑰匙”。

王貽芳表示，如果CP相位角是零的話，那就意味著物質(zhì)與反物質(zhì)的衰變速度是一樣的，即現(xiàn)在物質(zhì)和反物質(zhì)還應該是一樣多，反物質(zhì)必然隱藏在我們尚未找到的某個地方。

“如果不是零，那么就表明兩者的衰變速度是不同的；在宇宙誕生近150億年后的現(xiàn)在，反物質(zhì)很可能已經(jīng)衰變掉了，變成了中性的中微子和光子，所以我們再也沒有可能找到‘反物質(zhì)世界’了。”他補充說。

然而，要測量第六個參數(shù)——CP相位角，除了已經(jīng)測量完成的四個參數(shù)，第五個參數(shù)——θ13將是一個不可逾越的障礙。只有在對θ13完成測量之后，科學家才能真正明白怎樣去測量CP相位角。

探求之路

當然，按照大亞灣反應堆中微子實驗項目的進程，要真正踏上測量CP相位角從而創(chuàng)造新歷史的“終極之路”，或許至少還要再等五年。

參與這個項目的，共有來自中國、美國、俄羅斯、捷克、香港和臺灣等六個國家和地區(qū)的34家科研單位。其中中國投資1.5億元人民幣，負責基礎設施建設和建造一半探測器，美國能源部負責建造另一半探測器。

對前期的施工來說，首先要考慮的問題，就是如何保證核電站的安全。

根據(jù)核電站核島安全標準，哪怕外界加速度超過重力加速度的百分之一，核反應就會自動停止，以避免可能的泄露隱患。當然，項目前期已經(jīng)做了大量的準備，而根據(jù)前期爆破試驗取得的數(shù)據(jù)，即使在最近的距離，最大裝藥量導致的外界加速度也只是安全上限的一半多點。

“現(xiàn)在開工還要等國家核安全局的最后審批。” 負責前期基建的中科院高能所研究員張浩云對《財經(jīng)》記者表示。正式爆破將從2007年11月20日開始。

即便如此，為了確保核電站的安全性，在17個半月的隧道開掘過程中，每一炮都要檢測，以確定下一次如何爆破。

除了工程上的挑戰(zhàn)，如何在技術上確保獲得最高精度的測量結(jié)果，對于整個項目的成敗也至關重要。

大亞灣國際合作組成員、美國威斯康星大學卡斯騰黑格爾教授（Karsten Heeger）在接受《財經(jīng)》記者采訪時就表示，探測器的設計和反應堆的功率，將是限制靈敏度的最關鍵因素。

據(jù)悉，由于大亞灣地理條件最好、設計精度最高，美國能源部已經(jīng)明確表示將全力支持大亞灣實驗。

黑格爾透露，美國目前已經(jīng)有14個研究機構(gòu)參與了大亞灣實驗。因為到2011年，嶺澳二期工程竣工并投入運行之后，大亞灣周邊反應堆總熱功率將達到1740萬千瓦，是僅次于日本柏崎(Kashiwazaki)的全球第二大近距離反應堆群。

與大亞灣中微子項目進行競爭的，或許要首推法國休茨（Chooz）中微子實驗項目。但由于核電站本身功率較小和探測器設計的系統(tǒng)誤差較大（每個探測器只使用8.5噸靶物質(zhì)，而大亞灣為80噸），其精度只能達到大亞灣的三分之一。

現(xiàn)在，全世界都在等待是法國還是中國先得到θ13的觀測值。根據(jù)法國目前的進度，2010年前，能將sin22θ13值精確到0.06；2013年以后，則可以進一步精確到0.03。而中國的實驗將從2010年開始，到2013年精度為0.01以下。

目前，物理學界預計sin22θ13可能在0.01到0.03 左右。如果試驗證明這一預測是正確的，則中微子的CP相位角可以測量，或許我們就可以解釋反物質(zhì)“消失”之謎。但如果其數(shù)值太小的話，黑格爾指出，則中微子的CP相位角就無法測量；也就是說，目前還無法用中微子和反中微子的行為差異，來解釋宇宙中的物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象。

不過，即使“壞的結(jié)果”真的發(fā)生了，即這個值接近于零，也同樣預示著新物理學或一種新的對稱性的存在。對于接近物質(zhì)世界“終極真相”仍然是重大進步。

“所以不管測到還是沒有測到，都非常重要。”中科院高能物理所研究員曹俊對《財經(jīng)》記者強調(diào)。