王貽芳
大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)計(jì)劃利用我國大亞灣核電站群獨(dú)有的自然條件,特別是其堆功率高,周圍有山,便于建設(shè)地下實(shí)驗(yàn)室等與國際上同類反應(yīng)堆相比所獨(dú)有的條件,測量中微子振蕩的6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)之一,也是目前未知的兩個(gè)參數(shù)之一——中微子交叉混合角θ13。該項(xiàng)目可測量混合角sin22θ13在90%的置信度下達(dá)到0.01的精度,較過去的實(shí)驗(yàn)提高近一個(gè)數(shù)量級,對中微子物理的未來發(fā)展將提供方向性指導(dǎo),特別是對理解宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”具有重要意義。由于其重大的科學(xué)意義,目前已得到中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金委員會、廣東省、深圳市、中國廣東核電集團(tuán)和美國能源部的大力支持,是中美兩國目前在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域最大的合作項(xiàng)目之一,有望取得重大原始性創(chuàng)新成果。
粒子物理研究的結(jié)果表明,構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的12種粒子中有3種是中微子(電子中微子,μ中微子和τ中微子)。中微子不帶電,僅參與非常微弱的弱相互作用,極難探測。但宇宙中存在大量的中微子,約為100個(gè)/cm3,與光子數(shù)相等。它在最微觀的粒子物理規(guī)律和最宏觀的宇宙的起源及演化中都起著十分重大的作用。雖然粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型假設(shè)中微子質(zhì)量為零,但由于中微子在宇宙中數(shù)量巨大,其質(zhì)量是否絕對為零,對粒子物理,天體物理與宇宙學(xué)均具有根本的影響。過去幾十年來,大量的直接測量實(shí)驗(yàn)均未獲得中微子質(zhì)量不為零的證據(jù)。
20世紀(jì)60年代,Pontecorvo B提出如果中微子有質(zhì)量,且其質(zhì)量本征態(tài)不同于弱作用本征態(tài),由量子力學(xué)的基本原理可推知不同的中微子在飛行中能夠互相轉(zhuǎn)換,即由一種中微子變?yōu)榱硪环N中微子,稱之為中微子混合,或中微子振蕩。中微子振蕩與中微子質(zhì)量有關(guān),是探測中微子質(zhì)量最靈敏的方法。三種不同的中微子之間相互轉(zhuǎn)換規(guī)律可用下列矩陣描述:
其中cij=cosθij,sij=sinθij(i,j=1,2, 3)。這里第一個(gè)矩陣(混合角θ23)描述通常所說的大氣中微子振蕩,第三個(gè)矩陣(混合角θ12)描述通常所說的太陽中微子振蕩。它們已分別由Homestate,Super-K,SNO與KamLAND等實(shí)驗(yàn)先后證實(shí)其不為零,即中微子之間發(fā)生了振蕩。由于其對粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)的重要意義,Homestate與Super-K實(shí)驗(yàn)的Davis R與小柴昌俊分享了2002年的諾貝爾物理學(xué)獎。
第二個(gè)矩陣中的混合角θ13與CP項(xiàng)角δ目前還是未知數(shù),美國物理學(xué)會在其2004年中微子研究報(bào)告中將用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)測量sin22θ13列為未來實(shí)驗(yàn)的第一優(yōu)先,因?yàn)榫_測量θ13具有以下重大的科學(xué)意義。
(1)它是中微子物理中6個(gè)最基本的參數(shù)之一,必須測量它的大小以了解輕子味混合與夸克味混合之間的關(guān)系,是構(gòu)建比標(biāo)準(zhǔn)模型更基本的大統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)。
(2)θ13數(shù)值的大小決定了中微子振蕩中的CP項(xiàng)角δ是否能被實(shí)驗(yàn)觀測到,而該CP相角通過leptogenesis機(jī)制可以解釋宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”,即為什么我們今天看不到宇宙大爆炸后產(chǎn)生的與物質(zhì)數(shù)量相同的反物質(zhì)。如果sin22θ13在人們所預(yù)計(jì)的0.01~0.03之間,則中微子混合的CP相角可以測量,宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”可能得以解釋。如果它太小,則中微子的CP相角無法測量,目前用中微子混合來解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱的理論便無法證實(shí)。
(3)sin22θ13接近于零也預(yù)示著新物理或一種新的對稱性的存在。因此不論是測得sin22θ13或只給出其上限值,均有極為重要的意義。
(4)中微子振蕩是第一個(gè),也是目前唯一超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的物理現(xiàn)象,精確測定它的數(shù)值將使我們能夠?qū)ふ遗c鑒別超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。
目前理論上對sin22θ13的預(yù)言相差很大,不同的模型給出完全不同的數(shù)值,但基本上集中在0.001~0.1之間。因此實(shí)驗(yàn)上希望測量sin22θ13的靈敏度應(yīng)達(dá)到0.01以下。目前大多數(shù)理論不認(rèn)為sin22θ13會嚴(yán)格為零(因?yàn)檫@需要新的對稱性保證),即使為零,由于輻射修正,在低能情況下也會表現(xiàn)出不為零。
實(shí)驗(yàn)上對sin22θ13的測量目前均未給出肯定的答案。Chooz、Palo Verde與Super-K等實(shí)驗(yàn)在直接搜尋中未發(fā)現(xiàn)sin22θ13不為零的證據(jù)。其給出的sin22θ13的上限在90%的置信度下為0.17,對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)誤差為3.9%。而利用目前全部中微子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果得出sin2θ13的最可幾值約為0.01(相應(yīng)于sin22θ13=0.04)??梢妼in22θ13的測量靈敏度下推到0.01左右在理論與實(shí)驗(yàn)方面都具有極為重要的意義,而這要求實(shí)驗(yàn)誤差達(dá)到小于0.5%的水平,對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)都提出了極大的挑戰(zhàn)。
研究中微子的相互作用規(guī)律,首先就要有合適的中微子源。測量中微子,實(shí)際上是測量它與探測器及周圍物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物。由于中微子是弱作用粒子,有極強(qiáng)的穿透力,作用率極低,因此對它的測量十分困難,必須找到盡可能強(qiáng)的源。太陽在燃燒過程中會產(chǎn)生大量中微子(太陽中微子);宇宙線粒子在進(jìn)入大氣層后與大氣發(fā)生相互作用,也會產(chǎn)生大量中微子(大氣中微子);但這些中微子由于流強(qiáng)不夠或距離太遠(yuǎn),不適合測量振蕩幾率極小的θ13。通過粒子加速器可以產(chǎn)生所需的中微子,也可以測量θ13,其振蕩幾率可近似由下式表示:
其中θ13、地球的電子密度A(r)和CP相位角δCP都未知。因此僅通過實(shí)驗(yàn)測量振蕩幾率P(νμ→νe)很難唯一確定其中任何一個(gè)參數(shù)。另一個(gè)問題就是,此類實(shí)驗(yàn)要求有流強(qiáng)極高的質(zhì)子加速器或μ子儲存環(huán)作為中微子工廠,耗資巨大。
與此相反,核電站在利用核能發(fā)電時(shí),其核反應(yīng)過程會有許多次級粒子產(chǎn)生,包括大量的電子反中微子(以下簡稱為中微子),是很好的中微子源。中微子輻射各向同性,產(chǎn)生率與核電站的熱功率成正比,流量與觀測點(diǎn)距反應(yīng)堆的距離平方成反比。由于與探測器的距離較近,反應(yīng)堆中微子的通量比太陽和大氣中微子高好幾個(gè)數(shù)量級,可以用來測量振蕩幾率極小的θ13。其振蕩幾率如下式所示:
由于測得的振蕩幾率只與θ13這個(gè)未知數(shù)有關(guān),可以唯一確定θ13。反應(yīng)堆中微子如果發(fā)生振蕩,會造成一部分中微子轉(zhuǎn)化為另一種不能被探測到的中微子,因而觀測到的中微子數(shù)會偏離平方反比關(guān)系。在距離反應(yīng)堆2 km左右的地方此效應(yīng)為極大。同時(shí)由于不同能量的中微子振蕩頻率不同,觀測到的能譜將發(fā)生有規(guī)律的畸變。通過對中微子總數(shù)與能譜的觀測,可以確定θ13的大小。反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)耗資較少,技術(shù)成熟,建設(shè)周期短。它的結(jié)果可以為耗資巨大的加速器長基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)(用來測量的符號和δCP)指明方向。
基于以上認(rèn)識,用反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)測量θ13成為當(dāng)前國際粒子物理實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)。中國的高能物理學(xué)家自2003年起進(jìn)行了大量的研究和計(jì)算,并進(jìn)行了實(shí)地考察,提出了利用大亞灣反應(yīng)堆測量中微子混合角θ13的設(shè)想。與此同時(shí),日本、美國、歐洲和韓國等也提出了他們的方案,前后共有8個(gè)之多。
大亞灣核電站在反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。不僅反應(yīng)堆的總功率大(到2010年嶺澳二期建成后將成為世界上第二大核反應(yīng)堆群),更重要的是附近有山,可以建立地下實(shí)驗(yàn)室,以提供足夠的屏蔽。對低能量、低事例率、高精度的中微子實(shí)驗(yàn)來說,減少宇宙射線和天然放射性本底是最重要的前提。世界上其他可能用來做此類實(shí)驗(yàn)的核電廠附近都缺乏足夠的巖石覆蓋。
我們的大亞灣實(shí)驗(yàn)具有最好的自然條件與靈敏度。經(jīng)過激烈競爭與合并組合,如大亞灣實(shí)驗(yàn)組合了美國的Diablo Canyon與Braidwood實(shí)驗(yàn),法國的Double Chooz實(shí)驗(yàn)組合了日本的KASKA實(shí)驗(yàn),目前國際上仍在積極推進(jìn)的只有大亞灣實(shí)驗(yàn)和法國的Double Chooz實(shí)驗(yàn)。
富含質(zhì)子而發(fā)光效率高的液體閃爍體被廣泛用于低能中微子實(shí)驗(yàn)中。反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子與探測器中摻釓的液體閃爍體發(fā)生如下的反β 衰變反應(yīng),產(chǎn)生正電子與中子信號
e+發(fā)生電離損失并與電子湮滅形成快信號;中子慢化后(慢化時(shí)間約30 μs)為液閃中的釓俘獲,放出共8 MeV的數(shù)個(gè)γ光子,形成延遲信號。中微子的特征信號即為快信號與延遲信號在特征時(shí)間窗內(nèi)的符合。釓元素對中子的俘獲截面非常高,通過在液閃中摻釓,可以縮短正電子快信號與中子俘獲信號之間的時(shí)間窗,降低本底。同時(shí)中子在釓上俘獲后放出的γ光子能量遠(yuǎn)高于天然放射性本底 (一般小于3 MeV),可以據(jù)此排除本底。而中子在質(zhì)子上俘獲放出的伽馬光子為2.2 MeV,難以與天然放射性區(qū)分。
在反β衰變反應(yīng)中,中微子的能量基本上都被正電子帶走,因此快信號反應(yīng)了中微子的能量。反β衰變反應(yīng)的截面及其乘積即為中微子探測器觀測到的中微子能譜。
自20世紀(jì)80年代起,國際上已成功地完成了近10個(gè)反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn),目前仍有一個(gè)在運(yùn)行中。探測器與反應(yīng)堆的距離由20多m發(fā)展至200 km,重量由幾十千克發(fā)展至幾千噸。目前精度最高的實(shí)驗(yàn)為Chooz,其系統(tǒng)誤差為2.7%,統(tǒng)計(jì)誤差為2.8%。
如前所述,過去的反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn),精度一般在3%~6%,其中約2%~3%來源于對反應(yīng)堆中微子通量及其能譜的了解,1%~3%來源于探測器,1%~3%來源于本底。大亞灣實(shí)驗(yàn)為了達(dá)到在90%以上置信水平下0.01的靈敏度,要求實(shí)驗(yàn)的總誤差小于0.5%。因此我們采用了相對測量的辦法,在最優(yōu)化基線處(振蕩最大值處)放置遠(yuǎn)端探測器和在離反應(yīng)堆很近的地方放置完全相同的近探測器,用以測量近端和遠(yuǎn)端不同距離時(shí)中微子事例相對的存活幾率(振蕩幾率),以消除反應(yīng)堆中微子通量及其能譜的誤差,也部分抵消探測效率、有效體積、總質(zhì)子數(shù)和能量測量等方面的誤差。
考慮到大亞灣反應(yīng)堆群的特殊布局,實(shí)驗(yàn)將采用三個(gè)探測器。兩個(gè)近點(diǎn)探測器分別對大亞灣(距離364 m)和嶺澳(距離504 m)的反應(yīng)堆進(jìn)行測量,遠(yuǎn)端探測器距嶺澳核電站為1615 m,距大亞灣核電站為1985 m。各探測器位置的選取經(jīng)過了詳細(xì)的最優(yōu)化計(jì)算,主要影響因素包括根據(jù)山的具體形狀計(jì)算的宇宙線本底、反應(yīng)堆誤差的抵消、估計(jì)的探測器誤差以及統(tǒng)計(jì)誤差等。探測器設(shè)計(jì)成可移動的,同一探測器分別在近端和遠(yuǎn)端進(jìn)行測量,利用探測器之間的相對刻度,可以有效地消除由探測器的微小差異產(chǎn)生的誤差,并有利于本底的精確減除。為了減少宇宙線本底,探測器必須有足夠的巖石覆蓋。計(jì)劃開挖一條從地面進(jìn)入山腹的隧道,連結(jié)3個(gè)放置探測器的地下實(shí)驗(yàn)廳,隧道總長約3000 m。
大亞灣中微子探測器包括兩部分:一是中微子探測器探測中微子信號,一是宇宙線探測器探測本底。我們選用水作為宇宙線探測器兼作屏蔽介質(zhì),中微子探測器置于其中。
為了減少統(tǒng)計(jì)誤差,使其不影響總體精度,中微子探測器的靶材料應(yīng)足夠大。但是探測器過大會帶來很多問題,比如說由于隧道大小的限制,運(yùn)輸困難,光在探測器中的傳播較難精確模擬等等。為此我們采用多個(gè)獨(dú)立探測器模塊的辦法,每個(gè)模塊完全相同,通過遠(yuǎn)近探測器的相對測量,保證最大程度地抵消誤差。采用多模塊設(shè)計(jì)可以較好地對系統(tǒng)誤差實(shí)行多重控制,模塊之間也可以相互校驗(yàn),糾正可能的錯(cuò)誤。綜合考慮利弊后,我們決定近端探測器放置兩個(gè)模塊,這樣可以互相校驗(yàn),并防止因一個(gè)模塊出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)失敗。遠(yuǎn)端探測器采用四個(gè)模塊以提高事例率。經(jīng)過計(jì)算,每個(gè)模塊的靶質(zhì)量為20 t,因此遠(yuǎn)點(diǎn)探測器的靶質(zhì)量共為80 t,運(yùn)行3年后統(tǒng)計(jì)誤差小于0.2%。
為了減少系統(tǒng)誤差,我們仔細(xì)分析了以前幾個(gè)反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的問題與經(jīng)驗(yàn),將中微子探測器設(shè)計(jì)成三層同心圓柱結(jié)構(gòu),直徑5 m,高5 m,總重100 t。最里層是20 t摻釓的液閃作為中微子的靶。中間是集能層,由20 t普通液閃構(gòu)成,用來收集中微子事例在邊界的能量沉積,以提高判選效率,降低誤差。最外層為40 t礦物油用來屏蔽外部材料,特別是光電倍增管玻璃造成的天然放射性本底,礦物油內(nèi)置224只8吋光電倍增管,以探測中微子在液體閃爍體中產(chǎn)生的信號。每層之間用有機(jī)玻璃隔開。
中微子探測器模塊的制作有兩個(gè)技術(shù)困難,一是穩(wěn)定、高透明度的摻釓液體閃爍體的配制,一是大直徑、高透明度、高精度與高強(qiáng)度的有機(jī)玻璃桶制作。經(jīng)過研究,我們已基本解決這兩個(gè)難點(diǎn)問題。
為屏蔽周圍環(huán)境與宇宙線造成的本底,需要足夠的屏蔽材料和有效的反符合探測器來標(biāo)記宇宙線事例。通過模擬,我們得出反符合探測器的效率須大于99.5%,誤差小于0.25%。目前尚沒有一種探測器可以保證達(dá)到此要求,并有一定冗余。為此我們將構(gòu)造多重反符合探測器,一是在水屏蔽中放置兩層光電倍增管,用來探測宇宙線在水中產(chǎn)生的切連科夫光。根據(jù)SuperK與KamLAND實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)及Geant4模擬計(jì)算,每層效率可達(dá)到95%,且可以互相校驗(yàn)。在水池頂部,放置三層阻性板探測器,其效率可達(dá)到95%以上。以上任意兩個(gè)探測器組合,總效率可達(dá)到99.5%,誤差小于0.25%。因此相互獨(dú)立的反符合探測器可以相互檢驗(yàn),準(zhǔn)確確定各自的探測效率。
反應(yīng)堆中微子的能量較低,宇宙線和探測器及其周圍物質(zhì)中的天然放射性都能給其帶來大量本底。為了減小宇宙線本底,中微子探測器必須放在較深的地下,同時(shí)必須有足夠的主動和被動屏蔽來去除本底。本底可以自然地分成兩類:關(guān)聯(lián)本底和非關(guān)聯(lián)本底。非關(guān)聯(lián)本底是由兩個(gè)獨(dú)立信號在延遲時(shí)間窗內(nèi)偶然符合形成,其中快信號主要來源于探測器外部和內(nèi)部的天然放射性,延遲信號主要來源于宇宙線μ子產(chǎn)生的低能中子。關(guān)聯(lián)本底主要來源于3類:(1)被反符合探測器遺漏的宇宙線在探測器中產(chǎn)生的快中子與質(zhì)子碰撞,反沖質(zhì)子形成快信號,慢化后的中子被俘獲后形成延遲信號;(2)μ子在巖石中產(chǎn)生的中子漂移到中微子探測器后與質(zhì)子碰撞,反沖質(zhì)子形成快信號,慢化后的中子被俘獲后形成延遲信號;(3)μ子在探測器內(nèi)與原子核發(fā)生散裂反應(yīng),產(chǎn)生8He與9Li同位素。這些同位素有15%到50%(具體數(shù)值不詳)的衰變幾率同時(shí)放出β粒子與中子,形成與中微子信號無法分辨的本底。其他的關(guān)聯(lián)本底,如直接來自宇宙線的多個(gè)質(zhì)子和中子,停止在探測器內(nèi)的μ子發(fā)生衰變或俘獲等,均可忽略。
根據(jù)數(shù)字化的大亞灣地區(qū)地形圖和地表宇宙線的流強(qiáng)、能量與角度分布進(jìn)行抽樣,通過模擬計(jì)算,得到各地下實(shí)驗(yàn)廳處的宇宙線流強(qiáng)、能量與角度。然后對μ子產(chǎn)生的中子和同位素利用GEANT3模擬軟件,根據(jù)上述探測器的實(shí)際情況進(jìn)行模擬,得到各類本底。由于本底模擬的不確定度較大,為保守起見,在物理分析中我們假定上述本底估計(jì)的誤差為100%,即由本底減除帶來的誤差等于本底/信號比。
根據(jù)以上討論,大亞灣實(shí)驗(yàn)的最終誤差可以總結(jié)如下:統(tǒng)計(jì)誤差0.2%;殘余反應(yīng)堆誤差0.1%;殘余系統(tǒng)誤差0.2%;近端本底/信號比0.4%;遠(yuǎn)端本底/信號比0.2%。
為了正確考慮系統(tǒng)誤差的影響,分析大亞灣實(shí)驗(yàn)的物理敏感度,我們將以上參數(shù)帶入如下帶pull項(xiàng)的χ2函數(shù)進(jìn)行最小化,
上式中,A表示對3個(gè)探測器求和,i對能譜的各個(gè)bin求和,表示測量到的第A個(gè)探測器第i個(gè)能量區(qū)內(nèi)的中微子事例數(shù),T表示相應(yīng)的根據(jù)反應(yīng)堆功率數(shù)據(jù)計(jì)算的預(yù)期值,F(xiàn),N,S表示預(yù)期的快中子、偶然符合本底和同位素本底的事例數(shù)。α,β,ε,η表示最小化參數(shù),σ則表示各種系統(tǒng)誤差,其含義在上式中標(biāo)出。通過對中微子事例總數(shù)與能譜的聯(lián)合分析,我們得到大亞灣實(shí)驗(yàn)對sin22θ13在90%置信水平下的靈敏度。在目前實(shí)驗(yàn)所確定的Δm2的允許區(qū)間內(nèi)(陰影部分),大亞灣實(shí)驗(yàn)對sin22θ13的靈敏度均小于0.01,滿足實(shí)驗(yàn)要求。這表明實(shí)驗(yàn)方案合理,探測器設(shè)計(jì)與本底控制均達(dá)到要求。
大亞灣實(shí)驗(yàn)?zāi)壳肮灿兄袊ㄏ愀叟c臺灣地區(qū)15個(gè)研究單位,美國13個(gè),俄國兩個(gè)及捷克一個(gè)研究單位參加,共約130位學(xué)者。按照國際慣例,我們組成了國際合作組,制訂了管理規(guī)章,建立了合作組委員會,選舉了執(zhí)行委員會與發(fā)言人。在項(xiàng)目的管理方面,設(shè)立了經(jīng)理部,建立了各子系統(tǒng)及設(shè)備的負(fù)責(zé)管理機(jī)制。目前各項(xiàng)工作都走上了正軌。大亞灣實(shí)驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)主要由中美兩國按二比一的比例投入,其他國家和地區(qū)各有一些實(shí)物投入。中國方面,科技部,中國科學(xué)院,國家自然科學(xué)基金委,廣東省,深圳市及大亞灣核電站的業(yè)主中國廣東核電集團(tuán)共對此實(shí)驗(yàn)投入1.7億人民幣。國家有關(guān)部門,如核安全局,國家原子能機(jī)構(gòu)等對此實(shí)驗(yàn)也給予了大力支持。目前大亞灣實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)前期工作正在全力進(jìn)行,預(yù)計(jì)明年可以開始隧道建設(shè),2009年部分探測器可以投入運(yùn)行,2010年底全部投入運(yùn)行。
總之,大亞灣實(shí)驗(yàn)是一個(gè)在中國本土進(jìn)行的,有重要國際影響的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目,也是中美兩國目前在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域最大的合作項(xiàng)目之一,它的結(jié)果將對未來中微子物理的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義,有望取得重大原始性創(chuàng)新成果。