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揭开中微子的第三种振荡

2018-05-03 11:28:48|来源:深圳特区报|编辑:于苏燕 |责编:韩东林

科研人员正在做科学实验。

  深圳大亚湾核反应堆群的360米外,百米高的花岗岩山体腹中,藏着中国迄今最成功的粒子物理实验装置之一——大亚湾中微子装置。

  也是在这个距离大亚湾核电站仅360米的山体里,坚守着一群科学家,他们奋斗在粒子物理研究的最前沿。他们研究的对象是物质世界最基本的粒子之一——中微子;他们要做的是揭开中微子最后一个未被破解的振荡模式,这是全世界高能物理学家都想解开的谜。

  经过近10年的不懈努力,大亚湾中微子实验取得重大成果——在2012年3月8日宣布成功发现了新的中微子振荡模式,引起世界瞩目,并被国际科学界认为是物理学上具有基础意义的一项重大成就。《科学》杂志网站公开表示,大亚湾实验装置“可以说是中国有史以来最重要的物理学成果”。

  挑战世界科学最前沿

  2003年,留学美国从事中微子实验工作的曹俊想回国发展。但当时,国内只有中微子理论研究,实验研究几乎空白。如果回国,曹俊很可能变得“英雄无用武之地”。

  直到一天,他接到了来自中科院高能物理所现任所长王贻芳的电话,让中微子研究展现曙光。很快,在王贻芳的领导下,一支4、5人的团队开启了对大亚湾中微子实验的最初构想。当时,为了测量最后一个未知的中微子混合参数,法国、日本、韩国等都竞相提出实验方案。由中科院高能物理研究所提出的大亚湾中微子实验是其中之一。

  “大亚湾实验有得天独厚的优势。”实验项目副经理、高能所研究员杨长根说:“这里邻近大亚湾核电基地反应堆,能获得足够多的中微子,附近的山还可以屏蔽绝大部分宇宙射线的干扰。”

  精度高达1%的大亚湾实验方案从全世界8个实验方案中脱颖而出。“当时国际上共有7个国家提出8个方案,最终3个得以实施,大亚湾探测精度最高,数据获取效率位居国际同类装置第一。”项目经理、高能所所长王贻芳回忆。

  这项实验得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团的支持,6家单位共同出资1.57亿元人民币,加上美国等其他国家和地区的出资,使其成为我国基础科学领域最大的国际合作项目。 “大亚湾实验开创了国家、地方政府、企业及国际合作共同支持基础研究的先例,是协同创新的重要成果。”高能所原所长陈和生院士说。

  成果的论文发表后,国际著名科学杂志和媒体发表报道与评论上百篇。美国《科学》杂志将其评为2012年十大科学突破之一,并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子,那么中微子物理可能是粒子物理的未来,大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”

  “大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”同时也荣获了2016年度国家自然科学奖一等奖,这个自然科学领域最受瞩目的奖17年来曾9度空缺。“这是国内最高的荣誉,也是对合作组成员极大的鼓舞。”王贻芳说。

  唯“快”不破抢占先机

  2007年10月,大亚湾反应堆中微子实验开工。2011年8月15日,大亚湾中微子实验1号厅开始取数;2011年11月5日,2号厅开始取数;2011年12月24日,3号厅开始取数,至此大亚湾中微子实验正式运行。

  “在实验还没有正式运行前,1号厅就已经产生了很多数据,我们用这些数据‘看懂’了探测器,建立好了分析方法。更早以前,从2010年开始,我们就用模拟软件产生假数据,反复练习,提前为正式的物理分析做准备。”实验项目副经理曹俊说。

  大亚湾团队中,有年轻的“90后”,年龄最大的项目总工艺师白景芝已年逾古稀。他们自喻为“一群勤劳的蚂蚁”,工作在没有阳光、阴暗潮湿的隧道,用智慧和劳动建造了一座美丽的科学宫殿。

  大亚湾实验距离核反应堆仅360米,深入地下100米,要建5个十几米至二十多米高的地下实验厅、3100米长隧道,难度可想而知。为赶进度,每当一个实验厅挖好,实验组人员便进入同步展开设备安装,新挖好的岩洞内燠热潮湿,进去20分钟就浑身湿透。没有水喝,没有厕所,研究人员、工程技术人员仅凭简单的机械和人力,将5个40吨容积的超大罐子搬进了闪液大厅。每天回到驻地后,大家甚至累得只能躺着洗个凉水澡。

  为了与国际同行“赛跑”,2011年9月,科研人员果断改变原来的实验方案,“变阵提速”,将实验分为两个阶段。在紧张的数据分析冲刺阶段,一个由“70后”带领的,由“80后”和“90后”组成的年轻团队日夜拼搏,完成了实验数据的获取、修正、分析等,终于赢得先机。

  2012年2月,正式运行后的第二个月,科研人员发现了中微子的第三种振荡。3月8日,成果发布,比韩国RENO实验快了25天。

  中国制造凭实力赢得尊重

  大亚湾国际合作组由来世界各地的39个研究机构、200余名研究人员组成。大亚湾中微子实验由中国和美国共同领导,其中中方研究人员来自中科院、清华大学、上海交通大学、山东大学、中国原子能研究院等多家单位。美方的参与人员来自伯克利国家实验室、布鲁克海文国家实验室、加州理工学院等16家世界一流的科研院所,阵容堪称豪华。

  “高能物理的国际合作内部竞争非常激烈,没实力就变成光掏钱没有话语权。”曹俊说,“中国团队凭实力赢得了尊重。”

  王贻芳说,实验设计不是建造一个大的整体探测器以提高精度,而是做成几个小的、模块化的探测器,这是中国人的首创。它不仅便于实验中探测器的远近点交换,而且也减小了探测器的体积,可使隧道截面不至于过大,便于安装。王贻芳介绍,大亚湾实验“以我为主”体现在三个方面,一是实验方案全部采取了中科院高能所的设计方案;二是在项目建设中,牢牢地把关键技术掌握在自己手中;三是完整独立地掌握了实验数据全部分析过程,最终发表的文章中采用的也是高能所的结果。

  项目建设过程中,中国科学家解决了多模块探测器设计、水屏蔽设计、反射板设计等大量技术难题,以出色的工作赢得了国际同行的认可和尊重。“高能所提出了独到的实验方案,实验设计指标和精度国际最高。”王贻芳说,同一实验厅放置2-4个全同探测器进行对比测量的方案,中方曾与美国合作者发生过激烈争论,实验数据后来证实了中国方案的有效。

  优质工程让大亚湾在国际科学竞赛中率先撞线。“我们的声音越来越被重视。”曹俊说,“当项目开始并取得良好进展后,我们收到粒子物理国际学术会议的大会报告邀请显著增加,甚至明显感到国际同行对我们的态度完全不一样了。”

  高能物理研究需要更广泛国际合作

  无论是王贻芳还是曹俊,经常会被问到这样的问题:“项目刚开始运行2个多月就发现了第三种振荡,之后你们还干了些什么?”每每遇到这样的问题,这两位科学家总会显得有点“执拗”。“当时的成果,一方面回答了中微子第三种振荡是否存在,另一方面报告了这个振荡有多大。第一个问题已经完全解决,但是振荡的大小还需要不断提高测量精度。”曹俊说。

  从2012年至今,大亚湾中微子实验的精度从此前的20%提高到了4%。

  “这是自然界的一个基本参数,它的大小对几乎所有的中微子研究都有影响,我们希望这个项目运行到2020年,进一步提高精度,将实验装置的潜力充分发挥出来。”在曹俊看来,精度越高,能发现的内容就越多,或许就差那么一点点,就会错失认识世界的机会。“另外,我们已经测得了最精确的反应堆中微子能谱,发现与理论预期存在两处偏差,这也是一个非常重要的成果,需要进一步研究。”

  除了大亚湾中微子实验继续提高精度外,王贻芳正在主持的我国第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验已经开建,预计在2020年进行取数工作。

  “江门中微子实验将致力于测量中微子的质量顺序,并进一步精确测量中微子混合参数,其土建工程规模约是大亚湾反应堆中微子实验项目的3至5倍。” 王贻芳透露,目前江门中微子实验建设阶段性进展顺利,多项重要技术方案已经确定。

  “关起门来做科研是不行的。”王贻芳说,大亚湾中微子实验和北京谱仪,已经让中国高能物理在国际上能站得住脚,要使科学研究更有影响力,避免研究团队“近亲繁殖”,中国高能物理领域还需走向更广泛的国际合作。

  科普介绍

  大亚湾发现中微子第三种变化

  中微子来自核反应堆、太阳、超新星、地球内核等处,携带着暗物质和天体的秘密。它们是基本粒子中的“隐士”,质量小,不带电,几乎不与任何粒子反应。只有大亚湾装置这样包含海量粒子的探测器,才能侥幸拦下来几个中微子。

  中微子分三种:电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以“振荡”——一种类型变成另一种。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种已在大气中微子和太阳中微子实验中找到。

  大亚湾实验是对第三种振荡模式的测量。这种振荡中,主要由电子中微子组成的“大队人马”,在行军路上变成了主要由τ中微子组成的团队。θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。(陈 颖)

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