17年來9度空缺后，1月9日，2016年度國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)?lì)C給了“大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩新模式”。自然科學(xué)獎(jiǎng)作為國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)五項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)之一，為中國自然科學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)，這是繼2013年鐵基高溫超導(dǎo)和2015年多光子糾纏相繼獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)之后，又一物理學(xué)領(lǐng)域的重大成果問鼎該獎(jiǎng)項(xiàng)。

什么是中微子？為何振蕩？2015年，中微子振蕩曾因獲諾獎(jiǎng)名聲大噪。日本科學(xué)家梶田隆章和加拿大科學(xué)家阿瑟·麥克唐納因發(fā)現(xiàn)中微子振蕩方面所作的貢獻(xiàn)，共享當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這種極難探測(cè)、被稱為“幽靈”的粒子，有助于科學(xué)家們進(jìn)一步理解基本粒子的物理規(guī)律、進(jìn)而解開反物質(zhì)消失之謎。

中微子領(lǐng)域堪稱諾獎(jiǎng)“富礦”。自1956年以來，相關(guān)研究已經(jīng)斬獲四次諾貝爾獎(jiǎng)。這顆屢獲諾獎(jiǎng)的小小粒子，與中國也淵源頗深。早在上世紀(jì)40年代，著名核物理學(xué)家王淦昌著手研究中微子的探測(cè)問題，提出了測(cè)量中微子的質(zhì)量與能量的實(shí)驗(yàn)方法。如今，中國已站在了該領(lǐng)域研究的國際最前沿。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，被外界稱為當(dāng)代中國對(duì)世界基礎(chǔ)物理研究做出的最大貢獻(xiàn)，是最有希望獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的中國科研成果。

每一秒，幾萬億顆“幽靈粒子”穿越人體

中微子是一種不帶電、質(zhì)量極其微小的基本粒子，和電子、夸克等都一樣，都是宇宙基本組成單元。中，描述的并不是它個(gè)頭的大小，指的是“電中性”。

中微子共有三種類型，即電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，在目前已知的構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本粒子中，占了四分之一，在微觀的粒子物理和宏觀的宇宙起源及演化中同時(shí)扮演著極為重要的角色。太陽的核聚變、超新星的爆發(fā)、宇宙射線與地球大氣層的碰撞、核反應(yīng)堆中放射性衰變?cè)氐牧炎?，以至于地球上巖石等各種物質(zhì)的衰變，都能產(chǎn)生中微子。

看似無處不在，但這種神秘的“幽靈粒子”卻讓想要捕獲它的科學(xué)家吃盡了苦頭。中微子質(zhì)量微小，但穿透能力極強(qiáng)，與其他物質(zhì)幾乎不產(chǎn)生相互作用。1MeV的電子頂多穿透2mm的鋁，而相同能量的中微子則可以輕松穿過整個(gè)地球。實(shí)際上，每一秒鐘都有幾萬億顆中微子穿透人體，卻無法感知。

研究者們之所以對(duì)中微子的種種謎團(tuán)展露興奮，是因?yàn)橹形⒆訕O有可能是打開標(biāo)準(zhǔn)模型之外物理新世界的那把鑰匙。在粒子物理世界中，一種叫做“標(biāo)準(zhǔn)模型”的理論模型描述了各個(gè)基本粒子及其之間的相互作用。標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)測(cè)的W玻色子、Z玻色子、膠子、頂夸克及魅夸克，最終被實(shí)驗(yàn)一一驗(yàn)證。特別是獲得2013年諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)的“上帝粒子”希格斯玻色子（Higgs Boson），是補(bǔ)齊標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。

但中微子振蕩不一樣，它是目前唯一直接超出標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

大亞灣實(shí)驗(yàn)：發(fā)現(xiàn)中微子的第三種振蕩模式

1968年，美國物理學(xué)家雷蒙德·戴維斯首次發(fā)現(xiàn)，來自太陽的電子中微子數(shù)目比理論預(yù)言的要少。難道中微子在以光速飛行的過程中消失了？這令人難以置信。這一現(xiàn)象，被稱作“太陽中微子消失之謎”。

此后進(jìn)行的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這一現(xiàn)象的存在。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，中微子有一個(gè)特殊的性質(zhì)，即中微子三兄弟可以在飛行中從一種類型轉(zhuǎn)變成另一種類型，這種轉(zhuǎn)變可以循環(huán)往復(fù)，因而被稱為中微子振蕩。中微子振蕩表明，中微子有微小的質(zhì)量，是目前唯一的超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理實(shí)驗(yàn)證據(jù)。原則上，三種中微子之間相互振蕩，兩兩組合，應(yīng)該有三種模式，三種混合模式各有相對(duì)應(yīng)的混合角θ12、θ23、θ13（讀作 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、二到三和一到三的轉(zhuǎn)變）。

其中兩種模式自60年代起即有跡象，當(dāng)時(shí)稱作“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年，日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)正式發(fā)現(xiàn)大氣中微子振蕩，2002 年，太陽中微子振蕩也被多個(gè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。這兩項(xiàng)成果被授予2015 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但第三種振蕩則一直未被發(fā)現(xiàn)，甚至有理論預(yù)言其根本不存在（即其振蕩幾率為零）。大亞灣實(shí)驗(yàn)便是瞄準(zhǔn)了遲遲未能找到的θ13。

2012年3月8日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)言人、中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳在北京宣布： 大亞灣實(shí)驗(yàn)以5.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的置信度（>99.9999%）測(cè)得中微子混合角θ13不為零，首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式。這一中國誕生的重大物理成果，開啟了未來中微子物理發(fā)展的大門，在全球科學(xué)界引起熱烈反響。美國《科學(xué)》雜志將其評(píng)為2012 年十大科學(xué)突破之一，并稱“如果大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究人員沒有發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未來，大亞灣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能就是標(biāo)志著這一領(lǐng)域起飛的時(shí)刻”。

大亞灣實(shí)驗(yàn)是一個(gè)中微子“消失”的實(shí)驗(yàn)，位于廣東省深圳市大亞灣。之所以選擇大亞灣，除了臨近大亞灣和嶺澳核電站、是理想的中微子源外，還因?yàn)槟抢锏牡匦芜m合屏蔽其他粒子。大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2007年10月動(dòng)工，到2011年中期先后完成探測(cè)器的建造與安裝，并在8月開始近點(diǎn)取數(shù)，12月下旬開始遠(yuǎn)近點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行。

大亞灣核電站一共有 6 個(gè)核反應(yīng)堆，而中微子實(shí)驗(yàn)有 3 個(gè)地下實(shí)驗(yàn)室大廳，其中兩個(gè)靠近反應(yīng)堆（分別為 470 米和 576 米），一個(gè)遠(yuǎn)離反應(yīng)堆，距離為 1648 米。該實(shí)驗(yàn)延續(xù)了1956年費(fèi)雷德里克·萊茵斯等人發(fā)現(xiàn)中微子實(shí)驗(yàn)的血脈，同樣通過探測(cè)中微子和質(zhì)子的反應(yīng)來研究中微子。雖是基于相同的物理原理，實(shí)驗(yàn)技術(shù)卻經(jīng)過了半個(gè)世紀(jì)的進(jìn)化。精度是大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵詞，運(yùn)用了能量分辨更好的液體閃爍體來捕捉中微子的信號(hào)，并在3個(gè)實(shí)驗(yàn)廳建造了8個(gè)探測(cè)器，每臺(tái)高5米、直徑5米、重110噸，安置于10米深的水池中。由于周圍緊鄰的核反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生海量的電子反中微子，近探測(cè)器探測(cè)到的中微子數(shù)目，與遠(yuǎn)探測(cè)器探測(cè)到的中微子數(shù)目會(huì)有不同，這個(gè)不同可以用來測(cè)量反中微子 “消失” 率，從而計(jì)算出混合角 。

2015年9月11日，繼發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)世界科學(xué)界的中微子新的震蕩模式后，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目又在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表了中微子測(cè)量的最新結(jié)果，將中微子混合角θ13和中微子質(zhì)量平方差的測(cè)量精度都提高了近一倍，為世界最高精度。

大亞灣實(shí)驗(yàn)合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺(tái)灣的38個(gè)研究機(jī)構(gòu)、約270名研究人員組成。其中約150人來自境內(nèi)單位的16個(gè)高校和研究所。

“因在中微子振蕩上的基礎(chǔ)性發(fā)現(xiàn)與探索，揭示了超越甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新前沿”，大亞灣實(shí)驗(yàn)合作組及其負(fù)責(zé)人與另外4個(gè)實(shí)驗(yàn)組分享了2016年度基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)。

這是一場(chǎng)國際賽跑。2003年以來，有7個(gè)國家先后提出了8個(gè)實(shí)驗(yàn)方案利用反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)測(cè)量θ13，最終投入建造的有3個(gè)，包括中國大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國Double Chooz實(shí)驗(yàn)、和韓國RENO實(shí)驗(yàn)。

“韓國科學(xué)家的結(jié)果只比我們晚了25天?！蓖踬O芳說。截至目前，大亞灣實(shí)驗(yàn)首次報(bào)道測(cè)量θ13的文章被引用上千次，成為高能物理研究的經(jīng)典文獻(xiàn)之一。

但中微子的關(guān)鍵未解之謎還有很多。比如，中微子的絕對(duì)質(zhì)量是多少？惰性中微子存在嗎？中微子究竟是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子？除了大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)繼續(xù)提高精度外，王貽芳正在主持的中國第二個(gè)大型中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——江門中微子實(shí)驗(yàn)已經(jīng)開建，預(yù)計(jì)在2020年進(jìn)行取數(shù)工作。

“江門中微子實(shí)驗(yàn)將致力于測(cè)量中微子的質(zhì)量順序，并進(jìn)一步精確測(cè)量中微子混合參數(shù)，其土建工程規(guī)模約是大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的3至5倍?！?王貽芳稱。由于有了大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的鋪墊，江門中微子實(shí)驗(yàn)的審批難度低了一些，但技術(shù)挑戰(zhàn)卻并未減少。

“精度越高，能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容就越多，或許就差那么一點(diǎn)點(diǎn)，我們就會(huì)錯(cuò)失認(rèn)識(shí)世界的機(jī)會(huì)?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芸⊙芯繂T說。