大亚湾实验发表最精确的反应堆中微子能谱
时间 : 2016-02-12     

大亚湾中微子实验测得了迄今为止最精确的反应堆中微子能谱。实验采集了世界上最大的反应堆中微子样本,分析了部分数据后,发现与理论预期存在两处偏差,这为未来的反应堆中微子实验提供了重要的测量数据。该结果于2月12日发表于美国物理评论快报(Physical Review Letters)。

研究中微子有可能揭示许多未解的物理之谜,包括宇宙的历史、形成与未来。在宇宙大爆炸时期,中微子是产生的最多的粒子之一。现今仍大量产生于恒星内部的核反应过程和宇宙射线撞击地球大气层过程。

中微子也是核反应堆发电时发射的副产物,这使科学家可以对其进行可控的研究。事实上,在 20世纪50年代,人们正是在反应堆旁首次探测到了中微子。中微子因为性质极不活跃,当时曾被认为不可能被探测到。自那之后,反应堆实验在揭示中微子振荡(即电子、 缪子、陶子三种中微子之间的相互转换)以及其它重要属性中起了至关重要的作用。

这些实验的一个关键因素是需要知道反应堆总共发射了多少个中微子(称为通量),以及不同能量的中微子各占多少(称为能量分布或能谱)。在早期的研究中,科学家们根据对反应堆中复杂的裂变过程的理解,通过计算或其它间接方法来估计这些数值,对理论模型具有很强的依赖性。

大亚湾实验现在给出了最精确的、模型无关的能谱测量,并对中微子通量进行了新的测量。总共分析了217天、包含30多万个中微子的数据,其中最具挑战性的是如何准确地刻度探测器的能量响应。经过细致的研究,在大部分能量范围内,中微子能量达到了前所未有的精度——好于1%。

测得的反应堆中微子能谱有一个意外的特征:在能量5百万电子伏特(MeV)左右,数据超出理论预期10%,对应4倍标准偏差。“这个意外的测量与预言不一致,说明现有计算需要改进,”大亚湾共同发言人、加州大学伯克利分校及伯克利国家实验室的陆锦标说。另外两个实验也得到了类似的结论,但其测量精度不如大亚湾。

这个偏差显示出了直接测量反应堆中微子能谱的重要性,特别是对于那些使用该谱型来研究中微子振荡的实验尤为重要,同时也暗示依赖于模型的计算可能需要重新研究。“我们期望大亚湾实验获取更多的数据,更好地理解探测器,以提高能谱测量的精度,这对下一代反应堆中微子实验至关重要,比如江门中微子实验。”大亚湾实验共同发言人、中科院高能物理所的曹俊说。他也是正在建设中的江门中微子实验的副发言人。

大亚湾实验对中微子通量的测量显示,反应堆中微子的总产额比某些模型的预期值低6%。这个结果与以往实验的测量结果一致。这种现象被称作“反应堆中微子反常”。该现象可能来自理论模型的缺陷,也有很多人认为可能是由惰性中微子振荡引起的,后者是一个理论上假设的粒子。“反应堆中微子反常”是否存在仍然是一个未解之谜。

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