大亚湾反应堆中微子实验简介

　　大亚湾反应堆中微子实验是一个前期研究中的中微子振荡实验，主要目标是利用核反应堆产生的电子反中微子来测定一个具有重大物理意义的参数——中微子混合角q₁₃。

　　中微子振荡与反应堆中微子实验

　　中微子共有三种，是组成物质世界的十二种最基本粒子中性质最为特殊，被了解得最少的。它不带电荷，几乎不与物质相互作用。长期以来，人们认为中微子没有质量，而且跟DNA只有右旋一样，只存在左旋中微子，从而导致了微观世界的左右不对称。

　　最近的物理研究表明中微子具有微小的质量。1998年，日本的超级神岗实验（Super Kamiokande）以确凿的证据发现中微子存在振荡现象，即一种中微子在飞行中可以变成另一种中微子，使几十年来令人困惑不解的太阳中微子失踪之迷和大气中微子反常现象得到了合理的解释。中微子发生振荡的前提条件就是质量不为零和中微子之间存在混合。2001年，加拿大的SNO实验通过巧妙的设计，证实丢失的太阳中微子变成了其它种类的中微子，而三种中微子的总数并没有减少。同样的结果在KamLAND（反应堆）、K2K（加速器）这类人造中微子源的实验中也被证实。Super-K实验与Homestake太阳中微子实验于2002年获得了诺贝尔奖。

　　中微子振荡的原因是三种中微子的质量本征态与弱作用本征态之间存在混合。中微子的产生和探测都是通过弱相互作用，而传播则由质量本征态决定。由于存在混合，产生时的弱作用本征态不是质量本征态，而是三种质量本征态的叠加。三种质量本征态按不同的物质波频率传播，因此在不同的距离上观察中微子，会呈现出不同的弱作用本征态成分。当用弱作用去探测中微子时，就会看到不同的中微子。

　　中微子振荡示意图。一个电子中微子具有三种质量本征态成份，传播一段距离后变成电子中微子，缪中微子，陶中微子的叠加。

　　中微子的混合规律由六个参数决定（另外还有两个与振荡无关的相位角），包括三个混合角q_12、q_23、q₁₃，两个质量平方差Dm²_21、Dm²₃₂，以及一个电荷宇称相位角d_CP。通过大气中微子振荡测得了q₂₃与|Dm²₃₂|，通过太阳中微子振荡测得了q₁₂与Dm²₂₁。在混合矩阵中，只有下面的两个参数还没有被测量到：最小的混合角q₁₃、CP破缺的相位角d_CP。目前测得的q₁₃的实验上限是：sin²2q₁₃<0.17 （在Dm²₃₁ = 2.5×10^-3eV²下），由法国的Chooz反应堆中微子实验给出。　　

　　q₁₃的数值大小决定了未来中微子物理的发展方向。在轻子部分，所有CP破缺的物理效应都含有因子q₁₃， 故q₁₃的大小调控着CP对称性的破坏程度。如果它是如人们所预计的sin²2q₁₃等于1%～3%的话，则中微子的电荷宇称（CP）相角可以通过长基线中微子实验来测量，宇宙中物质与反物质的不对称现象可能得以解释。如果它太小，则中微子的CP相角无法测量，目前用中微子来解释物质与反物质不对称的理论便无法证实。q₁₃接近于零也预示着新物理或一种新的对称性的存在。因此不论是测得q₁₃，或证明它极小（小于0.01），对宇宙起源、粒子物理大统一理论、以及未来中微子物理的发展方向等均有极为重要的意义。

　　q₁₃可以通过反应堆中微子实验或长基线加速器中微子实验来测量。在长基线中微子实验中，中微子振荡几率跟q_13、CP相角、物质效应、以及Dm²₃₂的符号有关，仅由一个观测量实际上无法同时确定它们的大小。而反应堆中微子振荡只跟q₁₃相关，可以干净地确定它的大小，实验的周期与造价也远小于长基线中微子实验。从Reines和Cowan第一次发现中微子到第一次在KamLAND观测到反应堆中微子振荡，在这50多年历史中，反应堆中微子实验一直扮演着重要角色。特别是最近的Palo Verde、CHOOZ、以及KamLAND几个实验的成功，给未来的反应堆中微子实验提供了很好的技术基础，使q₁₃的精确测量成为可能。　　

　　反应堆中微子振荡几率与离反应堆距离的关系。图中列出了过去重要的反应堆实验，以及大亚湾中微子实验中近探测器与远探测器所在的位置（红三角形）。

　　大亚湾中微子实验

　　我国广东省大亚湾地区的大亚湾核电站与岭澳核电站是进行这一实验的最佳场所。首先是功率大，能够提供强的中微子流；其次是紧临高山，适合建立地下实验室以屏蔽宇宙射线对实验的干扰。在全世界的反应堆中，同时具备这两个条件的极为少见。

　　大亚湾在深圳市区以东约50公里，在香港东北约55公里。大亚湾核电站与岭澳核电站相距约1公里，目前共有四个反应堆，每个核电站各两个，总热功率为11.6GW，世界排名第十。2010年与2011年岭澳二期的两个反应堆将分别开始发电，届时将成为世界第二大的反应堆群。紧靠反应堆即有较高的山，在距反应堆300到500米外，山高达到100米以上；在距反应堆约2公里（振荡极大值）处山高约400米。山体由整体的花岗石构成，很适于隧道开凿和建立较大的地下实验室。

　　大亚湾中微子实验的目标是将sin²2q₁₃测量到0.01或更高的精度，这比上面提到的CHOOZ给出的灵敏度高了一个量级以上。实验利用电子反中微子在大型液体闪烁体探测器中的反β衰变反应来测量反应堆中微子。比较远近探测器测得的中微子通量和能谱，就可以知道中微子是否发生了振荡，进而确定振荡参数q₁₃。如果存在振荡，在远探测器看到的中微子通量将比预期要少；同时，由于不同能量的中微子振荡几率不一样，测得的能谱将发生有规律的变形。反β衰变反应是电子反中微子被氢核俘获，生成一个正电子和一个中子。中微子的能量几乎全由正电子带走，在液体闪烁体内有1MeV～8MeV的能量沉积。生成的中子经慢化后在液体闪烁体中掺杂的钆元素上被俘获，以伽马光子的形式放出约8MeV的能量，比正电子信号平均慢30微秒。正电子信号与中子信号在能量与时间上的符合可以干净地辨认出中微子与其它本底。其间最严重的本底干扰来自于宇宙线，因此需要尽量将探测器置于较深的地下。

　　由于大亚湾有两个反应堆群，需要两个近探测器分别对它们进行测量。大亚湾近点探测器距离反应堆约360米，岭澳近点探测器距反应堆约500米，远探测器离大亚湾反应堆1900米，离岭澳反应堆1600米。还有一个中点实验站也可放置探测器进行测量，以改变实验的系统误差，检验结果的可靠性。实验站之间用水平隧道相连，可以方便地在不同实验站之间移动探测器。从隧道入口处到大亚湾近点实验站则采用有坡度的隧道，以将探测器置于更深的地下，减小宇宙线本底的影响。

　　大亚湾反应堆中微子实验的布局示意图。图中六个蓝圆点为反应堆，黄线为隧道，黄色的圆柱体为中微子探测器。

    大亚湾核电站和岭澳核电站简介   

    大亚湾核电站在广东省深圳特区龙港行政区大鹏镇，其北面群山环绕。地理位置为东经114^o33'00"，北纬22^o36'00"。

　　大亚湾核电站靠近香港和深圳这两个人口过百万的大城市，以及惠州这个中型城市。按直线距离计算，深圳位于核电站西部45公里处，香港则在西南方向55公里，北部10公里处为惠州-大亚湾经济开发区。1979年之前，深圳只是一个边陲小镇，而今则是中国第一个经济特区，拥有超过700万的人口，多家国际跨国公司的亚洲总部都设在此，同时它也是中国南方的经济中心和旅游热点。深圳在国内所有城市中GDP排第四，财政收入占第三，中国第二大集装箱港，连续七年进出口总量为全国第一（达全国总量的七分之一）。深圳宝安国际机场是中国四家最大的机场之一和中国南部的空运港中心。

　　实验点方圆15公里之内没有铁路。大亚湾核电站和大鹏镇间的公路是12米宽的二级公路。大鹏镇和深圳、香港、广州均有一级公路或高速公路相连。

　　大亚湾附近有两条海运线，一条在东岸，另一条在中央列岛的西岸。壳牌石油公司和中国海洋石油公司联合资投资43亿美元兴建的南海石化的油轮使用的是东线。惠州港位于实验点北方13公里处 荃湾半岛上。两个万吨级码头也在1989年建成。其功能包括输运乘客、货物、建筑材料以及石油产品。这些运输船使用的是西线。西线到实验点的最近距离是6公里。两个分别只有3000吨和5000吨容量的码头也在建造大亚湾核电站的同时得以建成。

大亚湾核电站的地理位置图

    大亚湾和岭澳核电站都各有两个相隔88m的核反应堆，两核电站两反应堆的中心点相隔1100m，每个反应堆的热功率为2.9GW，故现有的总功率为11.6GW。现在在岭澳和大亚湾连线的东北方向延长线上400m处将建造第三个核电站——岭澳二期电站，将新增两个热功率各为2.9GW的反应堆。岭澳二期工程预计将在2011年建成。届时大亚湾——岭澳——岭澳二期全部运行，总热功率将达17.4GW。