世界上首次对中微子混合角的精确测量

　　大亚湾反应堆中微子实验是一个正在建设和运行中的大型粒子物理国际合作实验。通过探测核反应堆产生的中微子，该实验将精确测量自然界中最基本的未知参数之一——中微子混合角θ13，其数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向，并与宇宙中“反物质消失之迷”有关，具有重大的科学意义。

　　大亚湾反应堆中微子实验是一个由国家科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、广东省、深圳市共同支持的大型基础科学研究项目，并有来自美国、俄罗斯、捷克、中国台湾、香港五个国家和地区的经费支持和科学家参加，是一个以我为主、多国参与的重大国际合作项目，也是中美两国目前在基础科学研究领域最大的合作项目之一。

　　大亚湾反应堆中微子实验站地理位置优越，紧邻世界上最大的核反应堆群之一，并且紧邻高山，大大减少了宇宙线本底的影响，非常适合对θ13进行精确测量。实验站由三个位于山腹内并通过水平隧道相连的实验大厅等组成，其中大亚湾近点与岭澳近点位于地下100米，距反应堆约400米；远点位于地下350米，距反应堆约2000米。通过远、近站点共八个全同的探测器对反应堆中微子的相对测量，大约经过两年的取数，其sin22θ13测量精度将达到国际最好的0.01。

图1 大亚湾反应堆中微子实验站布局图

　　反应堆内进行核反应的同时，产生了海量的电子反中微子。两个近点实验大厅中的探测器将会测量这些中微子的初始通量，而远点实验大厅的探测器将负责寻找预期中的通量减少。

　　每个中微子探测器为直径5米，高5米的圆柱形，装满透明的液体闪烁体，总重110吨。当捕捉到中微子时，液体闪烁体将发出微弱的闪光。高灵敏度的光电倍增管安装在探测器的内表面，放大并记录这些闪光，形成中微子数据。

　　实验大厅位于深山底下，以屏蔽宇宙线，同时，探测器放置在水池之中，以屏蔽周围岩石层的放射性。尽管有这些屏蔽，一些高能量的宇宙线依然可以穿山而入。这时，装在水池墙上的光电倍增管（水切仑科夫探测器）和水池顶上的缪子探测器会记录下这些宇宙线的轨迹，并从中微子数据中排除掉，其探测效率可达到99.5%。

图2 中微子探测器（AD）、水切伦科夫探测器与缪子探测器（RPCs）的布局示意图

　　通过来自全球数百位科学家和工程师八年的努力（四年的计划准备和四年的建设），大亚湾近点实验大厅已于2011年8月15日开始投入运行，岭澳近点实验大厅将于2011年11月份开始运行，远点实验大厅将在2012年夏天开始取数工作。

　　图3 两个直径5米、高5米、重110吨的中微子探测器成功安装在大亚湾近点实验大厅内装满光电倍增管的巨型水池中并注满了高纯水。将水池密封并将侧厅的阻性板探测器滑移到水池上方，即可开始探测器的正式取数。

　　大亚湾反应堆中微子实验的国际合作历史

　　研究中微子的相互作用规律，首先就要有合适的中微子源。测量中微子，实际上是测量它与探测器及周围物质相互作用的产物。由于中微子是弱作用粒子，有极强的穿透力，作用率极低，因此对它的测量十分困难，必须找到尽可能强的源。核电站在利用核能发电时，其核反应过程会有许多次级粒子产生，包括大量的反中微子（以下简称为“中微子”）。中微子辐射各向同性，产生率与核电站的热功率成正比，流量与观测点距反应堆的距离成平方反比关系。核电站反应堆是很好的中微子源，由于它与实验用的探测器距离可以较近，其通量比太阳和大气中微子高好几个数量级，可以用来测量θ13。用反应堆中微子实验精确测量θ13已经成为国际粒子物理实验的热点。俄国、日本、韩国、巴西、美国和欧洲都竞相提出方案。

　　中国的高能物理学家高度重视国际粒子物理研究的这一重要动向，自2003年起进行了大量的研究和计算，并进行了实地考察，提出了利用大亚湾反应堆测量中微子混合角θ13的设想，并设计了一套完整的实验方案，包括探测器设计、本底计算与模拟、误差分析与降低措施等，获得国际同行的支持，从全世界8个实验方案中脱颖而出。美国能源部放弃支持本国两个实验方案，转而支持美国科学家加入大亚湾反应堆中微子实验项目。自2003年起先后在香港，北京，美国和深圳召开了用大亚湾反应堆测量中微子混合角θ13的研讨会，并据此组成了由国内外二十多个单位，一百多位物理学家的大亚湾反应堆中微子实验国际合作组。随着科研的不断深入，目前已经壮大形成了由国内外39个单位，约250名科学家参加的国际合作研究队伍。

　　管理与组织

　　参加合作的各国政府部门通过国家科研机构来管理项目，主要有中国的中科院高能物理研究所，美国伯克利和布鲁克海文国家实验室等组成实验监管机构（LOG）。各国提供资金支持的部门（Funding Agency）成立了一个国际资金委员会讨论经费问题，并通过实验监管机构对实验的组织和经费管理提出指导意见。

图4  大亚湾反应堆中微子实验项目国际合作管理框架

　　按照国际惯例，成立了国际合作组，制订管理规章，建立了合作组委员会，选举执行委员会（Executive Board）与发言人（Spokesperson）。发言人负责实验的日常运行，对外代表国际合作组。研究所代表委员会（Institutional Board）由各研究单位派一名代表组成，负责接纳新的合作机构与新成员，或移除合作机构与成员，以及人员安排。重大决策由执行委员会或合作组大会决定。执行委员会由九人组成，负责重要的科学、技术与管理决策。合作组大会由实验合作组内的所有成员参加，对所有决定有最终决定权。合作组每年至少举行两次合作组大会，以及若干次相应专题的研讨会。合作组大会讨论通过了合作制度条例，详细规定了决策机制，已经建立并在不断完善大亚湾反应堆中微子实验站的建设和运行管理制度。中美双方各成立了一个项目办公室管理项目的具体事务。

　　国际合作的意义

　　大亚湾反应堆中微子实验作为一个以我为主、多国参与的重大国际合作项目，通过与国际一流研究机构高强度地交流与合作，对进一步提高我国基础科学的科研水平具有重大意义。

　　1、这项国际合作充分发挥了大亚湾核电站在地理上的优势以及中国在实验方案设计思路上的巧妙，利用核反应堆测量θ13投入少而物理意义重大，使我们能够快速越过摸索阶段，用较少的投入迅即站到国际最前沿。大亚湾反应堆中微子实验的成功进行将大大提高我国在国际科技界的影响力，在国际前沿研究领域占有一席之地。

　　2、大亚湾反应堆中微子实验低能量，低本底，高精度的特点决定了在中子探测技术研究、放射性本底控制、数据获取与分析等方面面临巨大的挑战。实验的成功进行必将培养出一批掌握先进核探测技术的优秀年轻人才，造就一支优秀的研究队伍。

　　3、项目管理借鉴了国际上对大型国际合作项目、大科学实验研究项目的先进、成熟的现代管理方法，有力促进了我国科研管理机制、管理理念与国际接轨。