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大亞灣中微子實驗第一次發表實驗結果 ─ 港大研究員：發現新類型中微子轉變

2012年03月08日

 

全賴來自世界各地研究人員的努力，大亞灣中微子實驗合作組今天公佈發現了一種新的中微子轉換模式，此發現為人類對物質最終極結構的探索邁進了一大步，更對解答宇宙中為何物質存在這最基礎問題的研究方向，提供了重要的指引。

從2011年12月24日到2012年2月17日期間，實驗合作組透過中國廣東核電集團在大亞灣的核反應堆旁6座埋藏於山下的巨型探測器，觀察到數以萬計的反中微子(中微子的反物質) 。自實驗尚處於籌備階段已積極參與的香港大學物理系的梁幹莊博士和潘振聲博士齊表示：「對於這麼快就能夠作出發現，並對其性質作出精確測量，我們都感到驚訝。實驗結果令我們知道如何設計往後的中微子實驗，以進一步了解如宇宙中『物質－反物質不對稱現象』的問題。」梁博士還表示：「我們自去年8月開始透過首兩座探測器收集數據，過去這6個月來看著實驗結果愈見明顯，著實令人興奮。如非這國際合作組中每個人的通力合作，我們也不能這麼快就有結果。」除梁博士和潘博士外，香港中文大學物理系的朱明中教授亦是大亞灣實驗團香港研究組的主要成員。

中微子這種神秘基本粒子雖然早於宇宙大爆炸期間已佈滿整個宇宙，但因它們不會和電磁力互動，絕大部分不會和物質發生反應，以致每分每秒中上億萬的中微子能夠輕易穿透人體以至整個地球而不被察覺。近年科學家更發現宇宙中的3種中微子：電子中微子、渺子中微子和濤子中微子，可以不斷互相轉換－即一種中微子行走一段距離後，可以轉換成為另外兩種的中微子。物理學界稱這種奇妙現象為「中微子震盪」。這種難以捉摸的性質令大亞灣實驗合作組需要花盡心思設計和放置探測器。

大亞灣實驗合作組致力探測電子中微子改變為其他中微子的轉換模式，並標示其轉換機率成參數「中微子震盪混合角1-3」﹝θ₁₃﹞。θ₁₃是最小的混合角，亦是至今還未能準確測量的。大亞灣近端實驗室和遠端實驗室內藏6個完全一樣的中微子探測器，近端的探測器會測量有多少電子反中微子通過，然後再透過位於兩公里外遠端實驗室所探測到的電子反中微子數量，從而計算出θ₁₃。由於大亞灣中微子實驗擁有比其他同類實驗較大的靶質量及更強的核反應堆功率，故能夠順利精準測量到θ₁₃數值為sin² ﹝2θ₁₃﹞=0.092，誤差為0.017。這個精確的測量不僅填補了中微子震盪理論的一大空缺，亦開拓了宇宙中「物質－反物質不對稱現象」的研究道路。

大亞灣中微子實驗聯席發言人、美國能源部勞倫斯伯克萊國家實驗室及加州大學伯克萊分校物理系教授、香港大學孔慶熒傑出客座教授席（科技）陸錦標表示：「雖然還有兩座探測器尚未完工，但我們準確地測量到有近百分之六的電子反中微子因中微子震盪而消失。這數值遠大於預期。」物理學界一直都擔心θ₁₃爲零，但從大亞灣中微子實驗的初步結果顯示，θ₁₃「相當巨大，自然界對我們很友好。」陸教授如此評論道。陸教授亦是港大物理系的畢業生。

為了達致實驗設計目標，大亞灣中微子實驗計劃於今夏暫停收集數據，以便安裝最後兩個探測器。研究實驗結果將會決定未來中微子的物理研究方向─如何確定哪種中微子最重？中微子震蕩和反中微子震蕩之間是否有區別？以及爲什麽宇宙中物質比反物質多？「希望香港的學者和學生再有機會參與這些基礎科學研究的實驗。」潘博士表示。

補充資料

有關大亞灣實驗合作組
實驗合作組由中國、美國、香港、台灣、捷克及俄羅斯共39間研究機構組成，總數超過200人。這是香港首次有研究員參與的國際級粒子物理學實驗。香港研究資助局撥出1,700萬元作為研究經費，讓香港研究合作組參與設計及建造反中微子探測器的礦物油監察系統及氮氣封閉系統、實驗場地的全天侯氡氣監察系統。香港研究合作組亦參與收集數據及分析工作。

此外，香港大學物理系，聯同香港中文大學、加州大學伯克萊分校、布魯克文實驗室、國立臺灣大學、國立交通大學、國立聯合大學、中國國家科學院高能物理研究所參加了大亞灣中微子實驗的一個輔助實驗。這個輔助實驗位於香港仔隧道實驗室，主力研究穿透力極強的高能量宇宙射線如何和其他物質產生反應。由於香港仔隧道實驗室和大亞灣實驗廳環境相似，於其中收集的數據有助了解宇宙射線引起的背景輻射對大亞灣實驗有何影響。香港仔隧道實驗正在收集數據，香港大學物理系有超過20位同學參與大亞灣和香港仔的實驗。

物質－反物質不對稱現象
在現今科學界普遍認同的宇宙起源理論「大爆炸理論」中 ，産生的「物質」和「反物質」數量理應對等。但是現在我們觀測到的宇宙中只有物質，絕大部分的反物質卻消失了。這就是「物質－反物質不對稱」現象 。很多科學家認為了解基本粒子的物理性質是解答這個問題的關鍵。

圖片可於以下網址下載：http://www.scifac.hku.hk/news/media?page=1

傳媒如有垂詢，可致電香港大學理學院傳訊經理陳詩迪小姐（電話：2241-5286/ 6703-0212）或電郵至cindycst@hku.hk ; 或物理系梁幹莊博士（電話：2859-2858）及潘振聲博士（電話：2859-1962）。

三組泡在純水的反中微子探測器，各為五米高五米直徑。	位於香港仔隧道實驗室內的實驗探測器。
港大研究人員於探測器安裝前檢視水池中氡氣的濃度。	香港大學物理系助理教授潘振聲博士。
香港大學物理系副教授梁幹莊博士。