中微子振荡混合角θ13的国际最精确测量

清华大学团队贡献突出


  清华新闻网5月11日电  日前,在《美国物理评论》(Physical Review D)期刊上,大亚湾反应堆中微子实验国际合作组发表长篇文章—大亚湾基于氢俘获的θ13新测量(New measurement of θ13 via neutron capture on hydrogen at Daya Bay),给出目前国际上最精确的中微子混合角θ13测量值。该文章被选为当期的编辑推荐文章。在此项成果中,清华大学科研团队参与其中并贡献突出。

  精确的θ13测量值可以与加速器中微子实验测量值结合,为未来确定三代中微子质量排序与中微子电荷-宇称破缺相位提供了可能性。这不仅可以进一步了解中微子的属性,还将继续推动科学研究揭开自然界正反物质不对称性之谜。大亚湾反应堆中微子实验利用中子在钆上的俘获和在氢(hydrogen)上的俘获,进行两种不同的数据样本分析。清华大学领导的研究团队主要利用中子氢俘获的数据进行独立的实验测量和分析。

图注:大亚湾反应堆中微子实验布局

  大亚湾反应堆中微子实验位于深圳大亚湾核电站内,于2011年8月开始运行取数。整个实验建有两个近点、一个远点,3个实验大厅,远近点联合分析极大地消除θ13测量中的系统误差。大亚湾实验利用反应堆释放的电子型反中微子与探测器靶物质中质子的反贝塔衰变探测中微子信号。来自于此反应的瞬时的正电子信号和延迟的中子俘获信号的符合测量可以极大得减少实验本底,提高信噪比。据悉,来自中国、美国和其他国家与地区的研究机构,近200名科研人员参加了大亚湾实验。2015年大亚湾合作组因发现中微子的第三种振荡模式而获得了2016基础物理突破奖。

  早在2006年,清华大学作为国内第二大参与单位参与了该实验。其中工程物理系中微子实验小组领导了一个由山东大学、南开大学、台湾交通大学、台湾大学、中山大学组成的团队,利用在大亚湾中微子实验中的中子氢俘获数据,独立进行θ13测量,加强了对该方法所面临的探测器响应的理解,提高了该方法对应本底的分析精度,得到了目前国际上采用该技术得到的最好结果。此次大亚湾合作组发表的结果正是由清华大学工程物理系团队主导,并与之前中子钆俘获的分析结果结合,给出了θ13的国际最精确测量值。

图注:中微子随距离的振荡曲线与实验测量值。

  近年来,清华大学科研团队在中微子实验中项目中,不断加大研究力度。继大亚湾反应堆中微子实验之后,由中国主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验于2014年底开始建设,计划2020年投入运行,利用直径近40米,含有约2万吨液闪的球形探测器,首要目标确定三代中微子的质量排序。清华大学工程物理系、土木工程系与微电子研究所也参与其中的探测器及电子学研制工作。江门中微子实验的设计也是基于大亚湾中微子实验的θ13测量。

  此外,由清华大学工程物理系团队主持的锦屏中微子实验项目也已展开,该实验计划建造千吨级的中微子探测器并安置在清华大学主持建造的中国锦屏极深地下实验室(CJPL),利用2400米岩石覆盖以及距沿海反应堆群1千公里以上的天然优势条件,来获得极低的宇宙线和由其产生的散裂本底,以及极低的反应堆中微子本底。基于此,锦屏中微子实验可以比其他实验更好地测量太阳中微子和地球中微子。这对中微子性质的进一步研究,对太阳运行机制、物质组成以及对地球内部物化反应等问题的探索起着重要作用。

  背景链接:

  三代中微子之间的振荡由意大利核物理学家Bruno Pontecorvo于1957年提出。日本超级神冈实验的梶田隆章(TakaakiKajita)和加拿大萨德伯里实验的阿瑟.麦克唐纳(AuthurB. McDonald)发现了大气中微子和太阳中微子振荡的确凿证据,并于2015年获得诺贝尔物理学奖。反应堆中微子的振荡作为证实中微子振荡的最后一环,于2012年被大亚湾实验首次发现。而此次的科研成果则给出了最为精确的测量结果。

  论文链接:

  Phys. Rev. D 93, 072011 (2016),http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.93.072011

 供稿:工物系 编辑:襄桦 华山 常松 

2016年05月11日 13:42:35  清华新闻网

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