中国自然科学最高奖，为何颁给捕捉神秘中微子的大亚湾实验？

17年来9度空缺后，1月9日，2016年度国家自然科学奖一等奖颁给了“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”。自然科学奖作为国家科学技术奖五项奖项之一，为中国自然科学领域的最高奖，这是继2013年铁基高温超导和2015年多光子纠缠相继获得国家自然科学一等奖之后，又一物理学领域的重大成果问鼎该奖项。

什么是中微子？为何振荡？2015年，中微子振荡曾因获诺奖名声大噪。日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳因发现中微子振荡方面所作的贡献，共享当年的诺贝尔物理学奖。这种极难探测、被称为“幽灵”的粒子，有助于科学家们进一步理解基本粒子的物理规律、进而解开反物质消失之谜。

中微子领域堪称诺奖“富矿”。自1956年以来，相关研究已经斩获四次诺贝尔奖。这颗屡获诺奖的小小粒子，与中国也渊源颇深。早在上世纪40年代，著名核物理学家王淦昌着手研究中微子的探测问题，提出了测量中微子的质量与能量的实验方法。如今，中国已站在了该领域研究的国际最前沿。大亚湾中微子实验，被外界称为当代中国对世界基础物理研究做出的最大贡献，是最有希望获得诺贝尔物理学奖的中国科研成果。

每一秒，几万亿颗“幽灵粒子”穿越人体

中微子是一种不带电、质量极其微小的基本粒子，和电子、夸克等都一样，都是宇宙基本组成单元。中，描述的并不是它个头的大小，指的是“电中性”。

中微子共有三种类型，即电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，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。太阳的核聚变、超新星的爆发、宇宙射线与地球大气层的碰撞、核反应堆中放射性衰变元素的裂变，以至于地球上岩石等各种物质的衰变，都能产生中微子。

看似无处不在，但这种神秘的“幽灵粒子”却让想要捕获它的科学家吃尽了苦头。中微子质量微小，但穿透能力极强，与其他物质几乎不产生相互作用。1MeV的电子顶多穿透2mm的铝，而相同能量的中微子则可以轻松穿过整个地球。实际上，每一秒钟都有几万亿颗中微子穿透人体，却无法感知。

研究者们之所以对中微子的种种谜团展露兴奋，是因为中微子极有可能是打开标准模型之外物理新世界的那把钥匙。在粒子物理世界中，一种叫做“标准模型”的理论模型描述了各个基本粒子及其之间的相互作用。标准模型所预测的W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克及魅夸克，最终被实验一一验证。特别是获得2013年诺贝尔奖物理学奖的“上帝粒子”希格斯玻色子（Higgs Boson），是补齐标准模型的最后一块拼图。

但中微子振荡不一样，它是目前唯一直接超出标准模型的实验结果。

大亚湾实验：发现中微子的第三种振荡模式

1968年，美国物理学家雷蒙德·戴维斯首次发现，来自太阳的电子中微子数目比理论预言的要少。难道中微子在以光速飞行的过程中消失了？这令人难以置信。这一现象，被称作“太阳中微子消失之谜”。

此后进行的多项实验，证实了这一现象的存在。物理学家们发现，中微子有一个特殊的性质，即中微子三兄弟可以在飞行中从一种类型转变成另一种类型，这种转变可以循环往复，因而被称为中微子振荡。中微子振荡表明，中微子有微小的质量，是目前唯一的超出粒子物理标准模型的新物理实验证据。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，三种混合模式各有相对应的混合角θ12、θ23、θ13（读作 theta-一二、二三和一三，而非十二、二十三和十三，所描述的是一到二、二到三和一到三的转变）。

其中两种模式自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，2002 年，太阳中微子振荡也被多个实验证实。这两项成果被授予2015 年诺贝尔物理学奖。但第三种振荡则一直未被发现，甚至有理论预言其根本不存在（即其振荡几率为零）。大亚湾实验便是瞄准了迟迟未能找到的θ13。

2012年3月8日，大亚湾反应堆中微子实验发言人、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布： 大亚湾实验以5.2倍标准偏差的置信度（>99.9999%）测得中微子混合角θ13不为零，首次实验发现了中微子的第三种振荡模式。这一中国诞生的重大物理成果，开启了未来中微子物理发展的大门，在全球科学界引起热烈反响。美国《科学》杂志将其评为2012 年十大科学突破之一，并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未来，大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻”。

大亚湾实验是一个中微子“消失”的实验，位于广东省深圳市大亚湾。之所以选择大亚湾，除了临近大亚湾和岭澳核电站、是理想的中微子源外，还因为那里的地形适合屏蔽其他粒子。大亚湾实验项目于2007年10月动工，到2011年中期先后完成探测器的建造与安装，并在8月开始近点取数，12月下旬开始远近点同时运行。

大亚湾核电站一共有 6 个核反应堆，而中微子实验有 3 个地下实验室大厅，其中两个靠近反应堆（分别为 470 米和 576 米），一个远离反应堆，距离为 1648 米。该实验延续了1956年费雷德里克·莱茵斯等人发现中微子实验的血脉，同样通过探测中微子和质子的反应来研究中微子。虽是基于相同的物理原理，实验技术却经过了半个世纪的进化。精度是大亚湾中微子实验的关键词，运用了能量分辨更好的液体闪烁体来捕捉中微子的信号，并在3个实验厅建造了8个探测器，每台高5米、直径5米、重110吨，安置于10米深的水池中。由于周围紧邻的核反应堆会产生海量的电子反中微子，近探测器探测到的中微子数目，与远探测器探测到的中微子数目会有不同，这个不同可以用来测量反中微子 “消失” 率，从而计算出混合角 。

2015年9月11日，继发现轰动世界科学界的中微子新的震荡模式后，大亚湾中微子实验项目又在《物理评论快报》发表了中微子测量的最新结果，将中微子混合角θ13和中微子质量平方差的测量精度都提高了近一倍，为世界最高精度。

大亚湾实验合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾的38个研究机构、约270名研究人员组成。其中约150人来自境内单位的16个高校和研究所。

“因在中微子振荡上的基础性发现与探索，揭示了超越甚至远远超越粒子物理标准模型的新前沿”，大亚湾实验合作组及其负责人与另外4个实验组分享了2016年度基础物理学突破奖。

这是一场国际赛跑。2003年以来，有7个国家先后提出了8个实验方案利用反应堆实验测量θ13，最终投入建造的有3个，包括中国大亚湾实验、法国Double Chooz实验、和韩国RENO实验。

“韩国科学家的结果只比我们晚了25天。”王贻芳说。截至目前，大亚湾实验首次报道测量θ13的文章被引用上千次，成为高能物理研究的经典文献之一。

但中微子的关键未解之谜还有很多。比如，中微子的绝对质量是多少？惰性中微子存在吗？中微子究竟是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子？除了大亚湾中微子实验继续提高精度外，王贻芳正在主持的中国第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验已经开建，预计在2020年进行取数工作。

“江门中微子实验将致力于测量中微子的质量顺序，并进一步精确测量中微子混合参数，其土建工程规模约是大亚湾反应堆中微子实验项目的3至5倍。” 王贻芳称。由于有了大亚湾中微子实验的铺垫，江门中微子实验的审批难度低了一些，但技术挑战却并未减少。

“精度越高，能发现的内容就越多，或许就差那么一点点，我们就会错失认识世界的机会。”中科院高能物理研究所曹俊研究员说。