打開通往新物理世界的大門
——“江門中微子實(shí)驗(yàn)”先導(dǎo)科技專項(xiàng)及進(jìn)展*

文/中國科學(xué)院“江門中微子實(shí)驗(yàn)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)研究團(tuán)隊(duì)中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049

打開通往新物理世界的大門
——“江門中微子實(shí)驗(yàn)”先導(dǎo)科技專項(xiàng)及進(jìn)展*

文/中國科學(xué)院“江門中微子實(shí)驗(yàn)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)研究團(tuán)隊(duì)
中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049

中微子物理是粒子物理最重要的前沿之一，存在眾多未解之謎，可能成為超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理突破口，也是粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)研究的交叉前沿。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)2012年出人意料地發(fā)現(xiàn)大的新中微子振蕩模式，使近期測量中微子質(zhì)量順序和CP相角成為可能。江門中微子實(shí)驗(yàn)（原名大亞灣二期實(shí)驗(yàn)）2013年得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)支持，2015年啟動建設(shè)，預(yù)計(jì)2020年投入運(yùn)行。它以測量中微子質(zhì)量順序?yàn)楹诵目茖W(xué)目標(biāo)，同時(shí)精確測量中微子6個(gè)振蕩參數(shù)中的3個(gè)，達(dá)到好于1%的國際最好水平，使檢驗(yàn)中微子混合矩陣的幺正性、發(fā)現(xiàn)新物理成為可能。它也可以研究超新星中微子、地球中微子、太陽中微子、大氣中微子，尋找暗物質(zhì)、質(zhì)子衰變等，在多個(gè)領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平，不僅能對理解微觀的粒子物理規(guī)律做出重大貢獻(xiàn)，也將對宇宙學(xué)、天體物理乃至地球物理做出重大貢獻(xiàn)。

中微子，質(zhì)量順序，反應(yīng)堆，液體閃爍體，超新星

1　中微子研究是新物理的突破口

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的單元之一。與其他基本粒子——夸克和帶電輕子相比，它們性質(zhì)特殊，極難探測，仍然存在許多最基本的科學(xué)問題需解決。對中微子未知問題的研究，不僅將完善我們對物質(zhì)世界最基本規(guī)律的認(rèn)識，也很有可能導(dǎo)致對現(xiàn)有粒子物理理論體系——標(biāo)準(zhǔn)模型的突破，踏入新物理的大門。中微子研究近年來蓬勃發(fā)展，與天文學(xué)、宇宙學(xué)、地球物理等多個(gè)學(xué)科形成交叉，成為最具活力的前沿之一。

1998年發(fā)現(xiàn)中微子振蕩現(xiàn)象［1］，說明中微子具有微小的質(zhì)量，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。中微子振蕩由6個(gè)參數(shù)描述，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)2012年發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩模式，測得混合角θ13［2］。至此6個(gè)參數(shù)已測得4個(gè)半，包括3個(gè)混合角θ12、θ23和θ13，2個(gè)質(zhì)量平方差Δm221和|Δm232|，未知的包括Δm232的符號，又稱中微子質(zhì)量順序，以及電荷宇稱（CP）相角。CP相角的大小與宇宙中“反物質(zhì)消失之謎”有關(guān)，是宇宙起源必須解決的關(guān)鍵問題。

將中微子質(zhì)量納入標(biāo)準(zhǔn)模型中，需要回答它是狄拉克粒子還是馬約拉納粒子、它的質(zhì)量順序是正的還是反的、它的絕對質(zhì)量大小是多少。中微子質(zhì)量目前還無法直接探測。為解釋它為何如此之小，理論上強(qiáng)烈傾向于存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的重馬約拉納中微子。如果存在新的中微子種類，有可能通過精確測量混合參數(shù)得到線索。中微子數(shù)目眾多，在整個(gè)宇宙空間內(nèi)為330個(gè)/cm3，它的質(zhì)量對宇宙的起源與演化有重要影響。

中微子也是一種新的天文觀測手段，在直接觀察天體或地球內(nèi)部過程上幾乎是唯一手段。相關(guān)重大科學(xué)問題包括尋找超高能宇宙線的起源、研究超新星爆發(fā)的機(jī)制、研究太陽模型、利用超新星背景中微子研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、利用地球中微子研究地球演化等等。

中微子研究在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)將是基礎(chǔ)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。江門中微子實(shí)驗(yàn)將瞄準(zhǔn)中微子質(zhì)量順序這一國際熱點(diǎn)，解決多個(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)問題，力爭取得突破性科學(xué)成果，鞏固我國在中微子研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。同時(shí)建立一支國際領(lǐng)先的科研團(tuán)隊(duì)，在粒子物理基礎(chǔ)科研領(lǐng)域進(jìn)入世界前列，并帶動國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，為國家科技強(qiáng)國戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。

2　江門中微子實(shí)驗(yàn)具有豐富的科學(xué)目標(biāo)

測量中微子質(zhì)量順序是江門中微子實(shí)驗(yàn)的首要科學(xué)目標(biāo)。這是當(dāng)前中微子研究的焦點(diǎn)問題，具有重大科學(xué)意義。它是中微子的內(nèi)稟屬性之一，決定了中微子的“味”結(jié)構(gòu)，是所有粒子物理模型都必須面對的問題；它直接影響中微子與物質(zhì)的相互作用，并因此在宇宙演化、太陽及超新星中微子的產(chǎn)生與傳播、各種長基線中微子振蕩等方面有重要影響；它影響CP相角測量實(shí)驗(yàn)的前景，也決定另一類重要實(shí)驗(yàn)——無中微子雙貝塔衰變（0υββ）實(shí)驗(yàn)的發(fā)展方向。如果觀察到了0υββ衰變現(xiàn)象，則中微子肯定是馬約拉納粒子。如果沒有觀察到，對反質(zhì)量順序情況，未來10—20年達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度將能確定它是狄拉克粒子，不會存在0υββ衰變；對正質(zhì)量順序情況，則仍然無法確定。江門中微子實(shí)驗(yàn)6年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將確定中微子質(zhì)量順序到3—4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的置信水平［3］。

江門中微子實(shí)驗(yàn)可以通過研究反應(yīng)堆中微子振蕩，同時(shí)精確測量sin22θ12和2個(gè)質(zhì)量平方差到好于1%的精度。加上大亞灣實(shí)驗(yàn)對θ13的測量，我們將能精確測量6個(gè)混合參數(shù)中的4個(gè)至國際最高精度。精確測量混合參數(shù)將使檢驗(yàn)混合矩陣的幺正性成為可能。假如存在重馬約拉納中微子，幺正性的破缺有可能在1%的尺度上顯現(xiàn)出來。

超新星對宇宙學(xué)和天體演化具有極為重要的意義。中微子驅(qū)動的三階段延遲爆發(fā)機(jī)制是解釋核塌縮型超新星爆發(fā)的主流模型。到目前為止，人們總共探測到20多個(gè)超新星中微子事例。對銀河系內(nèi)的典型超新星，江門中微子探測器將可以探測到5 000—8 000個(gè)中微子，將能確認(rèn)或否定該爆發(fā)機(jī)制。也可以利用超新星中微子進(jìn)行絕對質(zhì)量測量、混合參數(shù)測量等粒子物理研究。

地球內(nèi)部的鈾、釷放射性產(chǎn)生的地?zé)崾球?qū)動地球演化的主要因素。它們衰變產(chǎn)生的中微子稱為地球中微子。不同的地球演化模型預(yù)言了不同的鈾釷含量，江門中微子探測器比以前的實(shí)驗(yàn)規(guī)模大20—40倍，能夠更準(zhǔn)確地探測地球中微子，有望達(dá)到判別地球演化模型所需的3 TNU的精度。

江門中微子實(shí)驗(yàn)還將在超新星背景中微子、太陽中微子、暗物質(zhì)尋找、質(zhì)子衰變等研究方面達(dá)到國際先進(jìn)水平，也將開展惰性中微子、大氣中微子、尋找奇異現(xiàn)象等研究。

總之，江門中微子實(shí)驗(yàn)將具有非常豐富的物理目標(biāo)［4］，對當(dāng)前中微子的多個(gè)未知問題進(jìn)行國際領(lǐng)先水平的研究?？梢灶A(yù)期，在未來的10—20年，中微子實(shí)驗(yàn)物理將取得豐碩的成果，而我國將在這一領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)，成為國際中微子研究的中心之一。

3　中微子研究的國際態(tài)勢

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)θ13遠(yuǎn)大于預(yù)期值，使近期內(nèi)測量中微子質(zhì)量順序和CP相位角成為可能。中微子質(zhì)量順序測量成為新的科學(xué)前沿競爭焦點(diǎn)，國際上共有美、法、日、印、韓等國提出的8個(gè)實(shí)驗(yàn)正處于不同的推進(jìn)階段（表1）。

在這些實(shí)驗(yàn)中，NOυA于2008年開始建設(shè)，2014年開始運(yùn)行，但只能在CP相位角等于225—315度時(shí)能區(qū)別質(zhì)量順序。其他實(shí)驗(yàn)各有其技術(shù)挑戰(zhàn)性，需要一定的時(shí)間完成設(shè)計(jì)和預(yù)先研究，預(yù)期啟動時(shí)間都在2020年前后，這是自θ13測量之后又一輪激烈的國際競爭。江門中微子實(shí)驗(yàn)有望率先測得質(zhì)量順序。由于實(shí)驗(yàn)原理不同，其結(jié)果可與加速器中微子實(shí)驗(yàn)DUNE和幾個(gè)大氣中微子實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證。

除中微子質(zhì)量順序外，中微子6個(gè)振蕩參數(shù)中的3個(gè)只有反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行精確測量，加速器中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕y量CP相位角和精確測量另2個(gè)振蕩參數(shù)，具有很強(qiáng)互補(bǔ)性。

江門中微子實(shí)驗(yàn)建成后將成為最先進(jìn)的超新星中微子觀測站。如果日本基于純水的百萬噸級Hyper-K實(shí)驗(yàn)得到批準(zhǔn)，其統(tǒng)計(jì)精度將超越江門中微子實(shí)驗(yàn)，但只能探測電子型中微子，而基于液體閃爍體的江門中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瑫r(shí)探測所有味道的中微子，對研究超新星性質(zhì)有獨(dú)到的優(yōu)勢。在地球中微子、太陽中微子、暗物質(zhì)尋找、質(zhì)子衰變等方面，江門中微子實(shí)驗(yàn)也各具有自己優(yōu)勢或特色。

4　實(shí)施“江門中微子實(shí)驗(yàn)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)

測量中微子質(zhì)量順序科學(xué)意義重大，國際競爭非常激烈。中科院通過戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)對江門中微子實(shí)驗(yàn)給予支持并啟動實(shí)施，對贏得國際競爭、率先取得重大科學(xué)突破至關(guān)重要。

表1　國際上8個(gè)測量中微子質(zhì)量順序?qū)嶒?yàn)計(jì)劃

江門中微子實(shí)驗(yàn)利用反應(yīng)堆中微子振蕩中的干涉效應(yīng)測量質(zhì)量順序，其最佳基線（即反應(yīng)堆到探測器的距離）為53 km，需要很大的探測器和極佳的能量分辨率。2008年中科院高能物理所提出進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的設(shè)想［11，12］，稱為大亞灣二期實(shí)驗(yàn)。2012年大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)θ13出人意料的大，增加了實(shí)驗(yàn)的可行性，這項(xiàng)工作得以迅速提上日程。實(shí)驗(yàn)要求探測器到各個(gè)反應(yīng)堆的距離相等，否則干涉效應(yīng)將相互抵消。由于大亞灣附近的反應(yīng)堆布局不利于測量，2012年確定在廣東省江門市開平市建立實(shí)驗(yàn)站，選址位于距陽江核電站和臺山核電站53 km處。實(shí)驗(yàn)將建設(shè)一個(gè)有效質(zhì)量為2萬噸的液體閃爍體探測器，能量精度為3%。

為屏蔽宇宙線的影響，中微子探測器必須安裝在地下。實(shí)驗(yàn)廳最大埋深設(shè)計(jì)為700 m，實(shí)驗(yàn)廳跨度為48 m，將是國內(nèi)跨度和土石方量最大的大型地下實(shí)驗(yàn)洞室。進(jìn)入隧道為豎井加斜井方案。實(shí)驗(yàn)站已啟動建設(shè)，預(yù)計(jì)2017年底完成。

江門中微子探測器的有效質(zhì)量比目前國際最大的液體閃爍體探測器Kam LAND大20倍［13］，設(shè)計(jì)能量精度比國際最佳的BOREX INO實(shí)驗(yàn)提高1倍［14］，技術(shù)上具有極大挑戰(zhàn)性。為此需要解決高量子效率的新型光電倍增管研制、高性能液體閃爍體研制、超大型高精度探測器設(shè)計(jì)等一系列技術(shù)難題。

探測器的初步設(shè)計(jì)方案如圖1所示［15］。中心為2萬噸液體閃爍體，置于直徑35.4 m、厚12 cm的有機(jī)玻璃容器內(nèi)。17 000個(gè)50 cm直徑的光電倍增管安裝在有機(jī)玻璃球外的網(wǎng)架上。有機(jī)玻璃球與網(wǎng)架浸泡在直徑42.5 m、高42.5 m的水池中。水池中為3萬噸純凈水，在網(wǎng)架處分隔成光學(xué)隔離的內(nèi)外兩層，內(nèi)層為中心探測器，探測中微子信號；外層為水切倫科夫探測器，裝有約2 000個(gè)光電倍增管，探測宇宙線信號。在水池頂部采用OPERA實(shí)驗(yàn)退役的塑料閃爍體作為徑跡探測器。

圖1　江門中微子實(shí)驗(yàn)探測器系統(tǒng)

光電倍增管是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之一。為達(dá)到實(shí)驗(yàn)所要求的能量分辨率，要求量子效率大于30%。目前通用的商業(yè)產(chǎn)品不能達(dá)到這一要求，依靠國外公司研發(fā)則成本居高不下。為了降低實(shí)驗(yàn)成本并帶動國內(nèi)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，中科院高能物理所組織國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠家，成立了合作組，于2009年初提出了一種新型的光電倍增管設(shè)計(jì)，開始自主研發(fā)，目前已取得了多項(xiàng)技術(shù)突破，成功研制出50 cm直徑、基于微通道板的光電倍增管，量子效率接近國際最好水平（圖2）。項(xiàng)目組同時(shí)也在推進(jìn)傳統(tǒng)型光電倍增管的改進(jìn)以作為備用方案。

圖2　江門中微子實(shí)驗(yàn)自主研發(fā)的50厘米微通道板光電倍增管

由于探測器巨大，液體閃爍體的透明度是關(guān)鍵的因素，同時(shí)需降低其中的天然放射性至極低的水平。項(xiàng)目組研究了蒸餾、蒸汽剝離、三氧化二鋁吸附、水萃取、高純氮?dú)獾冗m宜于大規(guī)模純化的方法，獲得了衰減長度達(dá)到25m的烷基苯。以烷基苯為主要原料生產(chǎn)出的液體閃爍體，預(yù)計(jì)將遠(yuǎn)好于目前國際最好水平。

國際合作是粒子物理研究的國際慣例。江門中微子實(shí)驗(yàn)因其重大的科學(xué)意義、先進(jìn)的探測器和豐富的科學(xué)目標(biāo)，吸引了大量國際合作者，2014年7月成立了正式的國際合作組，已形成由中國、美國、俄羅斯、法國、意大利、德國等12個(gè)國家和地區(qū)、55個(gè)研究機(jī)構(gòu)、約380名科學(xué)家和工程師共同參與合作的大型團(tuán)隊(duì)。國外合作者將根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)、興趣和經(jīng)費(fèi)，在頂部徑跡探測器、液體閃爍體純化、讀出電子學(xué)、光電倍增管測試等方面做出貢獻(xiàn)。

5　“江門中微子實(shí)驗(yàn)”專項(xiàng)研究進(jìn)展

專項(xiàng)實(shí)施兩年多以來，已經(jīng)按照預(yù)定目標(biāo)完成了階段性任務(wù)，關(guān)鍵技術(shù)研究取得若干重要進(jìn)展，公共平臺與配套設(shè)施建設(shè)進(jìn)展順利，較好地支撐了專項(xiàng)運(yùn)行和相關(guān)決策、研究工作的需要。

完成實(shí)驗(yàn)選點(diǎn)優(yōu)化。在地質(zhì)詳勘的基礎(chǔ)上，利用GPS完成了核電站各堆芯到實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的直接距離測量，精度好于1 m。根據(jù)地形完成了宇宙線模擬，初步計(jì)算了宇宙線帶來的本底，提出了能量非線性自修正的方法，利用改進(jìn)的分析方法重新進(jìn)行了計(jì)算，與原選點(diǎn)結(jié)論一致。

確定實(shí)驗(yàn)物理目標(biāo)，完成物理黃皮書編制。2013年11月，召開了江門中微子實(shí)驗(yàn)物理目標(biāo)研討會，確定了研究方向，提出成立相應(yīng)工作組開展研究，并組織完成物理目標(biāo)黃皮書的撰寫。對最重要的物理目標(biāo)——中微子質(zhì)量順序，提出了能量非線性自修正的方法，采用6年的數(shù)據(jù)量，得到江門實(shí)驗(yàn)靈敏度的正式結(jié)果：相對測量為3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，絕對測量為4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。該研究發(fā)表在Phys.Rev.D上［3］。

確定總體實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)物理要求給出探測器的初步技術(shù)要求。經(jīng)過物理研究和探測器技術(shù)的綜合考慮，確定初步的技術(shù)要求。目前已確定的技術(shù)要求包括：（1）探測器的有效靶質(zhì)量。（2）探測器的能量精度。這個(gè)能量精度要求主要與中心探測器、光電倍增管、液體閃爍體3個(gè)系統(tǒng)相關(guān)。（3）液體閃爍體采用不摻釓金屬、基于烷基苯的液體閃爍體。（4）探測器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)液閃在線循環(huán)處理，以純化放射性本底、對液閃預(yù)期之外的狀況有二次處理能力。

完成實(shí)驗(yàn)概念設(shè)計(jì)（CDR）。在2013年形成的中文版本基礎(chǔ)上，增加最新研究進(jìn)展，形成英文版本。組織合作組全體對英文版本進(jìn)行多次補(bǔ)充修訂、相互檢驗(yàn)校正，于2014年底完成實(shí)驗(yàn)概念設(shè)計(jì)。

確定中心探測器實(shí)施方案。2013年中心探測器在概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上先后提出4種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，項(xiàng)目前期對這4種方案分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算和模擬，有針對性地開展了一系列模型實(shí)驗(yàn)。2014年3月，通過組織專家評審，將中心探測器的4種結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化并縮減為2個(gè)，基本方案為有機(jī)玻璃球+不銹鋼網(wǎng)架方案，備選方案為液袋+有機(jī)玻璃支撐板+不銹鋼球罐方案。之后在國內(nèi)開展了廣泛的調(diào)研，結(jié)合國內(nèi)的生產(chǎn)和制造能力，對這兩種方案進(jìn)行了深入細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析，針對兩種方案中所涉及到的關(guān)鍵材料和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的材料性能實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)。對于不同方案涉及到的不同領(lǐng)域和不同技術(shù)在國內(nèi)開展了廣泛的調(diào)研，并和某些廠家開展了前期的試制研究工作，并針對探測器的現(xiàn)場制作展開了多次討論。

2015年7月合作組會議上，經(jīng)過合作組評審，中心探測器確定選擇有機(jī)玻璃球+不銹鋼網(wǎng)架方案。

搭建江門實(shí)驗(yàn)小模型。為了研究江門中微子實(shí)驗(yàn)的液閃和新型的光電倍增管性能，擬建造一個(gè)江門中微子實(shí)驗(yàn)的探測器模型，現(xiàn)已經(jīng)完成模型探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，開始機(jī)械結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)的制造，探測器的搭建工作已經(jīng)陸續(xù)展開。

新型光電倍增管研制取得突破性進(jìn)展。在現(xiàn)有的1吋轉(zhuǎn)移陰極設(shè)備上，通過各種研究，獲得了許多重要結(jié)果，其中一種陰極的量子效率從32%、36.7%做到42.0%，比濱松的SBA、UBA（在此波長處分別為32.9%和38.8%）還高，而且，其與液閃的發(fā)射光譜（400—450 nm）的匹配性最好，該陰極及其工藝為國際首創(chuàng)。該技術(shù)已在非轉(zhuǎn)移陰極的8吋樣管中實(shí)現(xiàn)，在410 nm處，量子效率達(dá)到24.8%。老化試驗(yàn)證明：該陰極與其他雙堿陰極趨勢一致，表明其壽命能夠滿足要求。目前正在西安光機(jī)所的轉(zhuǎn)移陰極設(shè)備上試制，以在20吋MCP-PM T上實(shí)現(xiàn)。

普通光陰極的球形和橢球形20吋MCP-PM T，透射時(shí)的量子效率在21%—26%之間，個(gè)別透射+反射的QE達(dá)到年度目標(biāo)（30%），P/V（峰谷比）達(dá)到3—8，遠(yuǎn)超過2.5。

液閃研制進(jìn)展順利。液閃研制首先是實(shí)驗(yàn)室小樣品，測量各項(xiàng)性能指標(biāo)，小樣品基本達(dá)到要求后研制中型純化設(shè)備，中型探測器檢驗(yàn)結(jié)果，最后制定JUNO大型液閃純化方案，確定液閃配方。

在提高光產(chǎn)額的研究方面，開展了不同溫度下液閃光產(chǎn)額變化的研究，液閃溫度從30度降到5度，光產(chǎn)額將有7%的提高，數(shù)據(jù)提供整個(gè)JUNO探測器工作溫度選擇參考。開展了發(fā)光物質(zhì)PPO，Bis-MSB對光產(chǎn)額影響的研究，測量結(jié)果顯示液閃的光產(chǎn)額隨著發(fā)光物質(zhì)的比例不同光產(chǎn)額也將不同。

初步研究了烷基苯的純化方法，開展了對LAB減壓蒸餾，三氧化二鋁、硅膠、活性炭吸附等多種方法的純化研究。用測量衰減長度，測量吸收光譜的方法檢驗(yàn)純化結(jié)果。初步測量表明：三氧化鋁吸附純化的LAB較好，衰減長度可滿足實(shí)驗(yàn)需求。

研究蒸餾方法提高烷基苯的光學(xué)性能，去除放射性雜質(zhì)，實(shí)驗(yàn)主要開展了油浴溫度、分餾頭溫度、真空度和蒸餾塔內(nèi)填充物質(zhì)的研究，得到了在分餾溫度小于100度，真空度好于40 Pa時(shí)烷基苯純化質(zhì)量最好的工作條件。測量了蒸餾純化后的吸收光譜，在360 nm以下吸收光譜的雜質(zhì)明顯降低。

6　發(fā)展展望

江門中微子實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)專項(xiàng)的組織實(shí)施標(biāo)志著我國中微子研究進(jìn)入新的發(fā)展階段，將鞏固我國在中微子研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，使我國成為國際中微子研究的中心之一。

江門中微子實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)專項(xiàng)實(shí)施以來的進(jìn)展表明，各項(xiàng)研究任務(wù)有望取得預(yù)期成果，在大亞灣實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以我們有優(yōu)勢的液體閃爍探測器技術(shù)和反應(yīng)堆中微子物理為主線，預(yù)期能夠率先測定中微子的質(zhì)量順序。中微子質(zhì)量順序的確定是測量輕子CP相位的先決條件。利用加速器中微子測量輕子CP破壞相位的方法存在參數(shù)簡并的問題。中微子質(zhì)量順序的不同會導(dǎo)致兩個(gè)不同的CP相位擬合值，從而大大增加實(shí)驗(yàn)測量CP相位的難度。此效應(yīng)特別對于中等基線、物質(zhì)效應(yīng)較小的加速器中微子實(shí)驗(yàn)更為顯著。因此，江門中微子實(shí)驗(yàn)使用不依賴于輕子CP相位的方法獨(dú)立測量中微子質(zhì)量順序?qū)铀倨髦形⒆訙y量CP相位的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用。

江門中微子實(shí)驗(yàn)的大型地下探測器為我們探測超新星爆發(fā)的中微子提供了獨(dú)特的機(jī)遇。超新星爆發(fā)大約有99%的能量以中微子形式在10—30 s的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來，產(chǎn)生大量不同能量、不同味道的中微子。因此超新星爆發(fā)是天體物理中中微子的重要來源之一。江門中微子實(shí)驗(yàn)的探測器可以在反貝塔衰變（IBD）、原子核的帶電流和中性流以及彈性散射等多個(gè)反應(yīng)道探測到大量的中微子事例。利用IBD事例的能量和時(shí)間信息可以限制反電子中微子的絕對質(zhì)量；通過各個(gè)振蕩道的聯(lián)合分析，我們可以擬合不同味道的中微子束流的測量精度，特別是可以測量中微子與反中微子的通量比、電子味和其他味中微子的通量比等物理量的精度，從而有可能區(qū)分不同的中微子振蕩和超新星爆發(fā)方面的相關(guān)機(jī)制；利用中微子的能譜信息，我們還可以研究中微子在超新星內(nèi)部和地球的物質(zhì)效應(yīng)、中微子振蕩的集體效應(yīng)等方面豐富的物理內(nèi)容。

在高量子效率新型光電倍增管的研制方面，通過本專項(xiàng)的研究將達(dá)到國際最好水平。光電倍增管是科研和工業(yè)中應(yīng)用廣泛的光電探測元件，有廣闊的市場前景。目前大型的和高性能的光電倍增管被日本濱松公司壟斷。中科院高能所組織成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，為中微子實(shí)驗(yàn)研制新型的高量子效率光電倍增管，已取得很好的進(jìn)展。聯(lián)盟內(nèi)的企業(yè)和科研單位合作交流密切，在相關(guān)高新技術(shù)上互通有無。新型光電倍增管研制的成功將不僅能打破濱松公司的壟斷，提供給本專項(xiàng)和國際上其他中微子實(shí)驗(yàn)，也能提高企業(yè)的相關(guān)高新技術(shù)和創(chuàng)新能力。

地下實(shí)驗(yàn)室跨度為國內(nèi)之最，探測器體積是目前世界上最大的液體閃爍體探測器的20倍，液體閃爍體的透明度也是世界上前所未有，探測器的電子學(xué)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)等方面充滿挑戰(zhàn)性，因此，江門中微子實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)的順利實(shí)施，將不僅提高我國的粒子物理探測器技術(shù)，推動重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)，搶占未來科技競爭制高點(diǎn)，而且能夠帶動光電倍增管、機(jī)械、設(shè)計(jì)、化學(xué)、材料、電子、計(jì)算機(jī)和自動控制等國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新力和國際競爭力，為實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國戰(zhàn)略做出重要貢獻(xiàn)。

7　小結(jié)

江門中微子實(shí)驗(yàn)是一個(gè)以測量中微子質(zhì)量順序?yàn)楹诵目茖W(xué)目標(biāo)、具有豐富物理潛力的大型基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)核心技術(shù)均取得突破，實(shí)驗(yàn)站建設(shè)已啟動，預(yù)計(jì)2020年投入運(yùn)行，有望在激烈的國際競爭中率先取得重大科學(xué)突破。

1 Fukuda Y，Hayakawa T，Ichihave E，et al.Super-K Collaboration.Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos. Physical Review Letters，1998，81:1562.

2 An F P，Bai J Z，Balantekin A B，et al.Daya Bay Collaboration.Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay.Physical Review Letters，2012，108:171803.

3 Li Y F，Cao J，Wang Y F，et al.Unambiguous determination of the neutrino mass hierarchy using reactor neutrinos.Physical Review D，2013，88:013008.

4 An F P，An GP，An Q，et al.Neutrino physics with JUNO.arXiv:1507.05613.

5 Ayreset D，et al.Proposal to build a 30 kiloton off-axis detector to study nu（mu）tonu（e）oscillations in the NuMI beam line.arXiv:hep-ex/0503053.

6 Samanta A.The Mass hierarchy with atmospheric neutrino sat INO.Physical Letters B，2009，673:37.

7 Adamset C，Adams D，Akiri T，et al.LBNE collaboration.Scientific opportunities with the long-baseline neutrino experiment.arXiv:1307.7335.

8 Katz U F，et al.（KM3NeT Collaboration）.The ORCA option for KM3NeT.arXiv:1402.1022.

9 Aartsenet M G，etal.（Ice Cube-PINGU Collaboration）. Letter of intent:The precision icecube next generation upgrade（PINGU）.arXiv:1401.2046.

10 Abe K，et al.（Hyper-K Collaboration）.Letter of intent: The Hyper-Kamiokande experiment:Detector design and physics potential.arXiv:1109.3262.

11 Zhan L，Wang Y F，Cao J，et al.Determination of the neutrino mass hierarchy at an intermediate baseline.Physical Review D，2008，78:111103.

12 Zhan L，Wang Y F，Cao J，et al.Experimental requirments to determine the neutrino mass hierarchy using reactor neutrinos. Physical Review D，2009，79:073007.

13 Eguchi K，et al.（KamLAND Collaboration）.First results from KamLAND:Evidence for reactor anti-neutrino disappearance. Physical Review Letters，2003，90:021802.

14 Arpesella C，et al.（Borexino Collaboration）.Direct measurement of the Be-7 solar neutrino flux with 192 days of borexino data. Physical Review Letters，2008，101：091302.

15 An FP，et al.（JUNO Collaboration）.JUNO Conceptual Design Report.arXiv:1508:07166.

Open the Gate to New Physics World—Strategic Priority Research Programme of Jiangmen Underground Neutrino Observatory and Its Progress

Research Team for Strategic Priority Programme of Jiangmen Underground Neutrino Observatory，Chinese Academy of Sciences
（Institute of High Energy Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Neutrino physics is one of the most important topics of particle physics，with many mysteries.The breach of the Neutrino physics is beyond the standard model，and it’s also a leading edge crossing with the particle physics，astrophysics and cosmology.In 2012，Daya bay neutrino experiment found a surprisingly large new neutrino oscillation mode，which makes the measurement of neutrino mass hierarchy and CP phase possible.Jiangmen Underground Neutrino Observatory（JUNO，originally called Daya Bay II）was approved by the Chinese Academy of Sciences and supported through the Strategic Priority Research Programme in 2013.The construction started in 2015，and the operation is expected to start in 2020.The main scientific goal of JUNO is to determine the neutrino mass hierarchy.It can also measure 3 out of 6 neutrino mixing parameters to a precision better than 1%，enabling the unitarity test of the neutrino mixing matrix in order to search for new physics.JUNO’s science endeavor will extend beyond particle physics，covering astrophysics，earth science and cosmology by studying supernova neutrinos，geo-neutrinos，solar neutrinos，atmospheric neutrinos，proton decays and dark matter searches，reaching advanced level internationally in many fields.The JUNO detector is located in an underground laboratory with 700m overburden，53 km from nearby reactor power plants.Its central detector is filled with 20 kton LAB based liquid scintillator.When neutrinos go through the detector，a very small part of them w ill interact with the liquid，producing scintillation light seen by 15 000 surrounding 20”photomultiplier tubes（PMTs）.The energy of incident neutrinos and the interaction vertex can be reconstructed based on the charge and timing information from PMTs.The energy resolution is roughly inverse proportional to the square root of detected number of photon electrons.To reach the expected sensitivity of mass hierarchy，the energy resolution has to be better than 3% at 1MeV，corresponding to 1 200 photon electrons per MeV，which is a much better performance than the state of the art detector such as BOREXINO and KamLAND.The technological challenges are new type of PMTs with high efficiency and highly transparent liquid scintillator.The water pool will shield the central detector from natural radioactivity in surrounding rocks.It also serves as a water Cherenkov detector after equipped with PMTs，to tag cosmic muons.There is another muon tracking detector on top of the water pool，used to improve muon detection efficiency and to get better muon tracking.

Neutrino，Neutrino mass hierarchy，reactor，liquid scintillation，supernova star

10.16418/j.issn.1000-3045.2015.05.013

中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA10000000）

修改稿收到日期：2015年9月9日