中大协助大亚湾中微子实验取得精准测量结果

由多国粒子物理学家组成的大亚湾中微子国际研究团队,经过长达十年研究,近日公布中微子振荡其中一项重要参数的测量成果,达到极其精确程度,有助解答宇宙「大爆炸理论」中物质远多于「反物质」之原因。

以中大物理学系朱明中教授为首的香港物理学家,以及一众中大本科及研究生参与此研究,为实验建立监测及数据采集系统等,发挥香港科研力量,帮助世界解开围绕物质和宇宙本质的一些最大谜团。

测量了解「幽灵粒子」的重要参数

中微子是亚原子粒子,特性是难以捕捉和数量众多。它们以接近光速无休止地射向地球表面,但几乎不会与物质相互作用,即使穿越厚度达一光年的铅板都不会干扰其中一个原子,因此被称为「幽灵粒子」。它们能够在三种不同的种类(英文称为「味道」flavour):µ子中微子、τ中微子和电子中微子之间来回转化,称为中微子振荡;而出现振荡的机率,则以三个混合角来描述,其中混合角q13*是在大亚湾实验前唯一未被测量出来的参数,亦是解开中微子奥秘的关键。

研究团队在广东大亚湾核电站附近设置多个大型圆柱形粒子探测器,接收来自核电站的反中微子流产生的光信号。在2012年,实验开始仅一年时间,研究团队已公布q13首个精确测量结果,并被美国《科学》杂志评为当年十大科学突破之一。

直至2020年,团队合共收集了五百五十万次中微子振荡的数据,经分析后得出的q13 值,精确度是实验设计目标的两倍半,成果远超预期。这对往后的研究十分重要,特别是认识反中微子的性质和相互作用、拆解宇宙中物质和反物质的不平衡及解释物质远多于反物质的事实。

大亚湾中微子远程实验室的水池共安装了四个反中微子探测器(照片显示其中三个)
香港团队负责中微子背景测量及数据采集系统 是次项目由中国科学院高能物理研究所(IHEP)及美国能源部(DOE)劳伦斯柏克莱国家实验室和布鲁克海文国家实验室共同牵头,亚洲、欧洲和北美地区共四十二个机构、二百三十七名科学家一同参与。香港团队以中大物理系朱明中教授为首席研究员、香港大学物理系梁干庄教授和潘振声教授为联合研究员,得到香港研究资助局共一千七百万元的资助,另外有超过四十名中大物理系学生,包括多名本科生参与。 香港研究组主要负责设计、建造及运营反中微子探测器的矿物油监控及密封氮气系统,以及一个连续的氡气监测系统,以确保探测器不受污染。香港研究组亦参予实验数据撷取及分析的工作,包括惰性中微子及中微子退相干的搜寻。 除了在大亚湾附近的主要实验室外,香港团队亦重建了香港仔隧道内的地下实验室,建造宇宙线及中子探测器,以测试与大亚湾相似的地下实验室内各种辐射本底,了解有甚么背景干扰因素,以支持大亚湾实验。 朱明中教授表示:「这是第一次有来自香港的科研团队参与一项重要的国际基础物理学实验,并且得到突破性成果,为香港的基础物理研究打了强心针。」 展望未来,大亚湾团队预计将报告最终数据集中的其他发现,包括更新先前的测量结果。 *物理学家根据中微子振荡幅度来测量 q13,或者在数学上写成sin22q13。 有关中微子实验合作组发表的详细测量结果,可参阅以下联合新闻稿:http://english.ihep.cas.cn/nw/han/y22
/202205/t20220531_306058.html

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