2012年3月8日，一个值得中国科技界铭记的日子。14时15分，大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了中微子的第三种振荡模式，并测量到其振荡几率。这一消息在国际高能物理界引起热烈反响，有评论认为该成果将是中微子物理的一个里程碑。这一重要成果对于最终揭开宇宙起源和演化之谜有着重大意义。对中微子前两种振荡模式的研究曾获得2002年诺贝尔奖。

大亚湾中微子实验首席科学家王贻芳报告实验成果

中微子第三种振荡模式，还在和全世界物理学家捉迷藏

人类在19世纪初已经认识到“建造”物质世界的“砖块”叫原子，共有100多种。到20世纪初科学家们进一步发现，原子都是由质子、中子和电子的不同组合构成的。待到今天，科学家们又发现，质子、中子和电子还不是基本的粒子，构成它们的是更小的夸克和轻子。其中夸克有6种，轻子也有6种。这12种粒子才是物质世界最小的“砖块”。

中微子属于轻子，不带电，质量极其微小，以光的速度飞行。它共有三种类型，即电子中微子、μ中微子和τ中微子，在目前已知的构成物质世界的12种基本粒子中，占了四分之一，在微观的粒子物理和宏观的宇宙起源及演化中同时扮演着极为重要的角色。

中微子身怀“变身术”，它可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，通常称为中微子振荡。原则上三种中微子之间相互振荡，两两组合，应该有三种模式。三种振荡的量化描述，就是θ12、θ23和θ13。

前两种模式自60年代起即有迹象，当时称作“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”。1998年日本的超级神冈实验正式发现大气中微子振荡，随后太阳中微子振荡也被多个实验证实。唯有代表第三种振荡模式的θ13，一直在和全世界的物理学家们玩捉迷藏，甚至有理论预言其根本不存在（即其振荡几率为零）。正因为如此，测量出θ13，也就成了大亚湾实验以及其他同类实验的奋斗方向。

中国高能物理学会理事长赵光达院士表示，“θ13不仅是物理学中的一个基本参数，其数值的大小也对未来中微子物理的发展方向起着决定性的作用。如果它足够大，我们就能进行下一代实验来测量中微子振荡中的宇称和电荷对称性破坏，以理解宇宙中物质-反物质不对称现象，即宇宙中‘反物质消失之谜’。否则我们就不知道如何进行下一代实验”。

大亚湾中微子实验布局图

为捕获神秘的中微子踪迹，大亚湾布下“天罗地网”

大亚湾中微子实验位于深圳市区以东约50公里的大亚湾核电站群附近的山洞内，地理位置优越，紧邻世界上最大的核反应堆群之一的大亚湾核电站与岭澳核电站，并且紧邻高山，有天然的宇宙线屏蔽。

建设中的实验大厅

2003年，中科院高能所的科研人员提出实验和探测器设计的总体方案，利用我国大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡，其振荡几率用sin22θ13表示。

大亚湾实验的原理是这样的：第一，核反应堆每天产生1026个反中微子，它们从核燃料棒中飞出，穿过实验装置时，极少数（1000个左右）会跟质子发生反应，产生光子和中子；中子还会跟探测液体反应，放出光子。这些闪光会被记录下来。

第二，距离燃料棒较近处和较远处的探测器，如果读数差别明显，就说明中微子在从近到远的1000多米“变身”了。且根据能量谱线的变形规律，可推断出θ13的大小。

工程2006年获得批准立项，2007年10月破土动工。整个实验计划建设总长3公里的隧道和3个地下实验大厅，其中两个近厅各放置两个中微子探测器，远厅放置4个探测器，共8个全同的中微子探测器。每个探测器5米高，5米直径，重110吨，均置于10米深的水池中。

中国科学院数理学部主任、国家自然科学基金委员会副主任沈文庆院士表示，“大亚湾实验采用了一系列创新性的设计思想，其设计指标和精度国际最高，设计方案和研制工艺先进，在探测器模块化、可移动、采用反射板、掺钆液体闪烁体等多项设计与技术方面具有独创性，达到和超过了世界先进水平”。

听说大亚湾实验设计独特，加上环境得天独厚，美国能源部主动放弃了自己的两个实验方案，转而加入中国的大亚湾实验。这也是美国高能物理在海外的第二大投资。

很快，在王贻芳等人的联络下，大亚湾项目成了一个有7个经费来源，合作单位达38个，250位科学家参加的大科学工程。

大亚湾实验得到了科技部、中科院、国家自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团的支持，6家单位共同出资1.57亿元人民币，加上美国能源部出资3400万美元（折合项目建设经费8000万人民币），大亚湾中微子实验成为中国基础科学领域最大的国际合作项目。

在这一规模庞大的国际合作项目中，中国的科学家们无疑作出了最重要的贡献，他们的创新实力和实验成果，为中国的高能物理界争得了荣誉。

巧妙设计争分夺秒，大亚湾实验组抢先撞线

用反应堆中微子测量θ13科学意义重大，国际上在2003年左右先后有7个国家提出了8个实验方案，最终进入建设阶段的共有3个，包括中国的大亚湾实验，法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。

考虑到国际竞争的激烈和施工难度的复杂，王贻芳巧妙地将实验设计成多个中微子探测器模块。不建造一个大的整体探测器（一般认为只有体积大才能提高探测的精度），而是做成几个小的、模块化的探测器，这是中国人的首创。它不仅便于实验中探测器的远近点交换，而且也减小了探测器的体积，可使隧道截面不至于过大，便于安装。

中微子探测器成功安装在巨型水池之中

事实证明了这个想法的有效。大亚湾的工程建设虽然在完工时间上晚于韩国，但探测器体积小，在洞外已安装完毕，运到地下大厅，稍加调试就可以取数工作。而韩国却要将各种零部件拆解后运到地下，并且在地下组装，这无形中耽误了不少时间。

2010年12月，大亚湾实验完成核电站附近的全部爆破任务，2011年中逐步完成了探测器的建造与安装，2011年8月开始近点取数，12月24日开始远近点同时运行。

作为全球唯一采用同一实验室多模块探测器的中微子实验，大亚湾实验的结果是使实验误差降低了“根号n倍”——在远点设计安装了4个探测器，使探测误差降了2倍，在近点设计安装了2个探测器，使误差降低了1.4倍。

3号实验厅于2011年12月24日开始运行

为抢在竞争对手之前获得物理结果，科研人员将实验分为两个阶段，这次报告的结果就来自第一阶段的数据，自2011年12月24日起至2012年2月17日结束，只用了6个中微子探测器，其中2个在大亚湾近厅，1个在岭澳近厅，3个在远厅。经过大家夜以继日的努力，完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明，sin22θ13为9.2%，误差为1.7%，以超过5倍的标准偏差确定sin22θ13不为零，首次发现了这种新的中微子振荡模式。在中科院高能所宣布实验结果后3周，韩国同行发布了类似的结果。

论证4年，施工3年，安装实验设施1年，取数55天，分析只用半个月，这就是大亚湾实验迄今的历程。正是实验装置建设阶段的不分昼夜、无假期和16个小时工作制，以及实验阶段的巧妙构思，夺回了时间，让大亚湾实验组抢先撞线。

    192个8英寸光电倍增管安装在紧贴钢罐内壁的支架上，用于探测中微子俘获时发出的光信号

大亚湾实验将中国的中微子研究带入了国际前沿，极大提升了中国在探测器设计和建造方面的国际声誉，并且提高了中国高新技术产业的水平。

工程建造的中心探测器（钢罐），直径5米、高5米，而其壁厚仅1厘米，变形还要控制在1毫米之内，这些钢罐是国产的。

“这是中微子物理的一个里程碑”

θ13，被精确测量，而且数值较大，这振奋了国际高能物理界。

成果宣布后，诺贝尔物理学奖得主李政道给中科院高能所发来邮件，表示“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就”。诺贝尔物理学奖得主卡罗·鲁比亚教授也致信祝贺：“我刚看到了大亚湾的漂亮结果，为这一卓越的成功向你们表示祝贺”。

国际中微子研究领域的其他实验组也就此重大成果致信高能所，表示这一成果将对他们进行的实验和下一代中微子实验产生重要影响。美国阿贡国家实验室物理部主任哈利·维尔茨教授表示：“现在，我们终于可以更精确地部署未来的中微子研究计划了。”美国费米实验室ｇ-2实验发言人说：“这的确是一项令人激动的成果。它将对美国的长基线中微子项目建议产生重大影响。”意大利OPERA实验发言人表示：“这是中微子物理的一个里程碑”。

美国《科学》杂志在线版“科学此刻”栏目发表文章《中国物理学家完成一项关键的中微子参数测量》，评价说：“此次成果完成了一幅中微子的概念图，这为‘中微子与反中微子行为间不对称’的实验铺平了道路，将可以解释为何现在的宇宙中有如此多的物质，却只有那么一丁点儿的反物质这一问题。”

在这一重大成果基础之上，大亚湾中微子实验还将继续完善探测器布局，进一步提高测量精度，巩固竞争优势，争取更大的科学新突破。

 

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大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式

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2012年3月8日，一个值得中国科技界铭记的日子。