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二零一一年八月十五日

大亞灣中微子振盪實驗開始取數 宇宙學及天體物理學研究揭開新一頁
中大領導港區科研人員參與國際物理研究



大亞灣中微子振盪實驗(大亞灣實驗)快將測量基本粒子中的幽靈——中微子,從而嘗試解決一些令科學家困惑已久的基本粒子物理及宇宙學難題。大亞灣實驗的第一對探測器剛開始投入運行,紀錄核電廠反應所產生的反中微子。香港中文大學(中大)的研究組自實驗籌備以來已一直積極參與這項重要的國際研究計劃,領導本港兩所院校的科研人員,負責監控實驗及擷取數據,其設計及建造的數個子系统亦已正式投入運作。這是本港科研人員首次參加如此大型及重要的基本粒子物理國際實驗。

中微子是不帶電的粒子,可由核反應產生,宇宙大爆炸、恆星(如太陽)核心及核反應堆都是大量中微子的源頭。中微子可以輕易地穿越人體、建築物、甚至是整個地球,幾乎不與任何物質產生反應,因此極難探測。目前,科學家已知中微子有三種類型——電子類、緲子類和濤子類中微子,且在傳播的過程中不斷由一類型轉化成另外兩類型,稱為中微子振盪現象。描述電子類中微子振盪的其中一個參數稱為混合角θ13,目前實驗上卻未知其數值。大亞灣實驗的目標,是以前所未有的高精密度量度θ13。這對於中微子物理的發展至為關鍵,不但開啓了超越粒子物理標準模型的窗口,並對宇宙學及天體物理學中眾多領域有舉足輕重的影響,預期為解釋宇宙中物質遠多於反物質這個重大難題帶來重要啓示。

大亞灣實驗共有二百多位科研人員參與,分別來自中國內地、美國、香港、台灣、俄羅斯及捷克的三十九所院校。香港研究組由中大及香港大學兩校的物理系師生組成,首席研究員由中大朱明中教授擔任,獲香港研究資助局共一千七百萬元的資助,主要負責設計及建造反中微子探測器的礦物油監控及密封氮氣系统,以及一個連續的氡氣監測系统,以確保探測器不受汚染,並參與實驗數據擷取及分析的工作。朱明中教授說:「我自小已着迷於宇宙的探索,這次有機會與世界各地頂尖的科研人員攜手打造當今最精密的中微子探測器,從而窺探宇宙的奧秘,實在是難得的機會。大亞灣實驗籌備了四年,建造實驗室及探測器又歷時四年,現在實驗終於開展,真是令人興奮!這次經驗將有助提升香港的基礎科研水平。」

大亞灣實驗座落於中國廣東省深圳市大亞灣核電廠區內,距香港巿中心55公里遠。廠區內的三座核電廠是世界上發電功率最高的核電廠群之一,為大亞灣實驗提供了大量反中微子。八個反中微子探測器分別放置於三個實驗站點,分別是大亞灣近點、岭澳近點及遠點。實驗站點設於核電廠周圍的山區內,其上端的岩層降低了宇宙射線的干擾,提高實驗的精準度。大亞灣實驗屬於「消失」實驗,前兩個近點設於離核電廠反應爐不到五百公尺,負責測量反應爐中的反中微子流量;遠點設於距反應爐約兩公里處,測量經過振盪後消失了的反中微子流量,從而推算θ13的數值。其中大亞灣近點已開始擷取數據,岭澳近點預計在今年秋季投入運作,而遠點則預計於2012年夏季開始取數。由於探測中微子極為困難,每天大概只可探測到數百粒中微子。預計三個站點取數兩至三年後,大亞灣實驗將可以達到設定的目標。

香港研究組亦重建了香港仔隧道內的地下實驗室,並聯同美國加州大學柏克萊分校、布魯克黑文國家實驗室、台灣大學、台灣交通大學、台灣聯合大學,以及中國科學院高能物理研究所的研究人員,建造宇宙線及中子探測器,以測試與大亞灣實驗室相似的地下實驗室內各種輻射本底,從而支援大亞灣實驗。香港仔隧道實驗經已開始投入運行。過去數年來,中大物理系已有三十多位本科生參與這項實驗。

大亞灣近點實驗室純水池內的第一對反中微子探測器,各為五米高、五米直徑,其中一個子系統由香港研究組負責設計及建造。
大亞灣近點實驗室純水池內的第一對反中微子探測器,各為五米高、五米直徑,其中一個子系統由香港研究組負責設計及建造。

大亞灣實驗合作組由中港台、美國、俄羅斯與捷克的三十九所院校共二百多位科研人員組成。
大亞灣實驗合作組由中港台、美國、俄羅斯與捷克的三十九所院校共二百多位科研人員組成。

朱明中教授
朱明中教授

香港仔隧道實驗室: 三十多位中大本科生曾參與地下宇宙射線的測量,以支援大亞灣實驗。右圖為該實驗室內的宇宙射線及中子探測器。
香港仔隧道實驗室: 三十多位中大本科生曾參與地下宇宙射線的測量,以支援大亞灣實驗。右圖為該實驗室內的宇宙射線及中子探測器。

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