在近9年的時(shí)間里，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)捕捉到了前所未有的550萬(wàn)次來(lái)自中微子的相互作用。現(xiàn)在，大亞灣合作組織的國(guó)際物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)報(bào)告了實(shí)驗(yàn)全部數(shù)據(jù)的第一個(gè)結(jié)果——迄今為止對(duì)θ13的最精確測(cè)量，θ13是理解中微子如何改變它們的“味道”的關(guān)鍵參數(shù)。

中微子是亞原子粒子，它既難以捉摸，又極其豐富。它們以接近光速的速度無(wú)休止地撞擊地球表面的每一寸土地，但很少與物質(zhì)發(fā)生相互作用。它們可以穿過(guò)一光年的鉛而不會(huì)干擾一個(gè)原子。

這些幽靈般的粒子的定義特征之一是它們能夠在三種不同的“味道”之間振蕩：μ子中微子、τ中微子和電子中微子。大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)的目的是研究決定這些振蕩概率的性質(zhì)，也就是所謂的混合角和質(zhì)量分裂。在2007年設(shè)計(jì)大亞灣的時(shí)候，三個(gè)混合角度中只有一個(gè)是未知的：θ13。因此，大亞灣的建造是為了用比其他任何實(shí)驗(yàn)更高的靈敏度來(lái)測(cè)量θ13。

大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)由浸泡在三個(gè)地下洞穴水池中的大型圓柱形粒子探測(cè)器組成。這些探測(cè)器接收來(lái)自附近核電站的反中微子流產(chǎn)生的光信號(hào)。反中微子是中微子的反粒子，它們?cè)诤朔磻?yīng)堆中大量產(chǎn)生。

為了確定θ13的值，大亞灣的科學(xué)家們?cè)诿總€(gè)地下洞穴中都檢測(cè)到了一種特殊的中微子——在這里是電子反中微子。兩個(gè)洞穴在核反應(yīng)堆附近，第三個(gè)洞穴較遠(yuǎn)，為反中微子振蕩提供了足夠的距離。通過(guò)比較遠(yuǎn)近探測(cè)器探測(cè)到的電子反中微子的數(shù)量，物理學(xué)家計(jì)算出有多少反中微子改變了粒子的性質(zhì)，從而得出了θ13的值。

大亞灣的物理學(xué)家在2012年對(duì)θ13進(jìn)行了世界上第一次結(jié)案的測(cè)量，隨后隨著實(shí)驗(yàn)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，測(cè)量的精度得到了提高。如今，經(jīng)過(guò)9年的運(yùn)行和2020年12月結(jié)束的數(shù)據(jù)采集，出色的探測(cè)器性能，以及專注的數(shù)據(jù)分析，大亞灣已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期。利用完整的數(shù)據(jù)集，物理學(xué)家現(xiàn)在測(cè)量出了θ13的值，其精度是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的2.5倍。沒(méi)有任何其他現(xiàn)有的或計(jì)劃中的實(shí)驗(yàn)有望達(dá)到如此精確的水平。

對(duì)θ13的精確測(cè)量將使物理學(xué)家更容易測(cè)量中微子物理中的其他參數(shù)，并開(kāi)發(fā)出亞原子粒子及其相互作用的更精確模型。通過(guò)研究反中微子的性質(zhì)和相互作用，物理學(xué)家可能會(huì)深入了解宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)的不平衡。物理學(xué)家認(rèn)為，物質(zhì)和反物質(zhì)在宇宙大爆炸時(shí)以等量產(chǎn)生。但如果是這樣的話，這兩個(gè)對(duì)立面應(yīng)該湮滅，只留下光。兩者之間的某些差異一定打破了平衡，從而解釋了今天宇宙中物質(zhì)占優(yōu)勢(shì)(而反物質(zhì)缺乏)的原因。

對(duì)大亞灣最終數(shù)據(jù)集的最新分析也為物理學(xué)家提供了質(zhì)量分裂的精確測(cè)量，這一特性決定了中微子振蕩的頻率。質(zhì)量分裂的測(cè)量不是大亞灣最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，但由于θ13的相對(duì)較大的價(jià)值，它變得可行。研究人員用大亞灣最后的數(shù)據(jù)集測(cè)量了2.3%的質(zhì)量分裂，比之前大亞灣測(cè)量的2.8%的精度有所提高。