以中國為主導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組近日對(duì)外宣布，在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測(cè)量到其振蕩幾率。這標(biāo)志著人類在破解宇宙中“反物質(zhì)之謎”的路上邁出重要一步。

據(jù)記者了解，在此次大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中，上海交通大學(xué)劉江來中微子團(tuán)隊(duì)承擔(dān)著刻度系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、取數(shù)和物理分析工作，也就是設(shè)計(jì)一把“刻度尺”，幫助測(cè)量出新的中微子振蕩幾率，從而為這一世界性成果做出了關(guān)鍵性貢獻(xiàn)。

上海交通大學(xué)物理系主任、粒子物理宇宙學(xué)研究所所長(zhǎng)季向東教授告訴記者：“大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電子中微子振蕩的新模式，這種模式的發(fā)現(xiàn)對(duì)了解為什么物質(zhì)多于反物質(zhì)，解釋太陽系中元素的豐度有極其重要的作用。在我們所觀察到的宇宙中，物質(zhì)占主要地位，為什么如此，到現(xiàn)在還沒有一個(gè)合理的解釋，大亞灣實(shí)驗(yàn)的結(jié)果為此打開了一扇門。”

通過光的多少反推中微子能量

劉江來說，中微子在探測(cè)器中反應(yīng)時(shí)會(huì)放出一定量的光，因此可通過觀測(cè)光的量的多少來確定中微子的能量。“中微子能量越高，反應(yīng)得到的光就越多，但這并不是簡(jiǎn)單的倍數(shù)關(guān)系。”

在此次實(shí)驗(yàn)中，上海交大承擔(dān)的任務(wù)，就是把這之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系搞清楚，以通過觀測(cè)到的光的多少來精確地反推出中微子的能量。

劉江來打了一個(gè)比方，測(cè)量就是制定一種標(biāo)準(zhǔn)，比如測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)要有一把事先校對(duì)好的尺子，測(cè)量重量時(shí)要有幾個(gè)事先已知重量的砝碼。同樣，刻度系統(tǒng)就是把幾種已知能量的放射源放入探測(cè)器，以此得到幾種不同能量與觀測(cè)到的光的量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

為所有數(shù)據(jù)“驗(yàn)明正身”

劉江來團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開發(fā)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、監(jiān)控網(wǎng)站以及數(shù)據(jù)庫，承擔(dān)了大亞灣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選的主要任務(wù)。

他介紹，大亞灣實(shí)驗(yàn)采用國際先進(jìn)的全電子學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每隔十幾分鐘都會(huì)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，壓縮成單個(gè)文件，并傳送到中科院計(jì)算中心和美國伯克利國家實(shí)驗(yàn)室計(jì)算中心，每天的數(shù)據(jù)量是310GB。

由于實(shí)驗(yàn)過程中一些不可避免的因素會(huì)產(chǎn)生部分干擾數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如果混入最后的數(shù)據(jù)分析中，會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。

有些干擾數(shù)據(jù)值班人員可以發(fā)現(xiàn)，如實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高壓異常，有些他們無法直接發(fā)現(xiàn)，如大亞灣反應(yīng)堆異常對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響、宇宙射線短期異常等。

“每天310GB的數(shù)據(jù)文件，每一個(gè)都要經(jīng)過層層篩選，以確保最后的數(shù)據(jù)分析能順利進(jìn)行?？梢哉f，我們就是所有數(shù)據(jù)文件的質(zhì)監(jiān)部門。”劉江來表示。

不放過0.1%的疑似信號(hào)

刻度系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烤_測(cè)量的關(guān)鍵之一，但研究人員經(jīng)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，刻度系統(tǒng)所使用的放射源即使在完全受保護(hù)的情況下，也會(huì)在探測(cè)器中產(chǎn)生少量假的疑似中微子信號(hào)，這部分信號(hào)大約占不到0.1%。

劉江來團(tuán)隊(duì)計(jì)算了這部分疑似信號(hào)量，并成為大亞灣合作組最后公布的官方數(shù)據(jù)。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還獨(dú)立計(jì)算了宇宙射線帶來的部分疑似信號(hào)，很好地驗(yàn)證了合作組其他成員的分析結(jié)果。

為減少誤差，該團(tuán)隊(duì)對(duì)中子探測(cè)效率也作了細(xì)致的研究。據(jù)劉江來介紹，由于中微子與物質(zhì)相互作用極微弱，不易直接測(cè)量。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的手段是利用中微子與探測(cè)器內(nèi)的質(zhì)子反應(yīng)，產(chǎn)生中子和正電子；通過探測(cè)中子和正電子來間接測(cè)量中微子。因此，中子探測(cè)效率的精確測(cè)量直接關(guān)系到中微子探測(cè)的準(zhǔn)確性，是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的誤差控制當(dāng)中的重要環(huán)節(jié)。

記者了解到，中國自然科學(xué)基金委和上海市科委對(duì)劉江來團(tuán)隊(duì)的大亞灣研究做出了重要支持。在上海市科委的支持下，上海交大成立了上海市粒子物理和宇宙學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，致力于微觀和宏觀世界最前沿的科學(xué)研究。劉江來的中微子團(tuán)隊(duì)就是實(shí)驗(yàn)室的若干研究團(tuán)隊(duì)之一。類似中微子這樣的國際重大科學(xué)前沿問題的研究團(tuán)隊(duì)還有暗物質(zhì)、宇宙起源和發(fā)展、黑洞等。“這些研究都有可能在未來幾年內(nèi)有新的重大突破。”季向東說。