科学家核电站旁掘地3000米寻幽灵粒子

大亚湾实验项目三号实验大厅
大亚湾实验项目三号实验大厅
图为运行取数中的一号实验厅
图为运行取数中的一号实验厅

人民网    记者赵竹青

不久前,我国刚刚诞生了一项重大物理成果。大亚湾国际合作实验首次发现了中微子的第三种振荡模式,并获得了精确的测量数值。大亚湾中微子实验的新发现不仅令全世界科技工作者为之振奋。

最“热”中微子

中微子,是构成物质世界的基本粒子。恒星内部的核反应,超新星的爆发,宇宙射线与地球大气层的撞击,核反应堆的运行,以至于地球上岩石等各种物质的衰变,都能产生中微子。每秒钟,都有几万亿个中微子自由地穿过人体。

虽然中微子无所不在,但是由于穿透力极强,而且几乎不与其它物质发生相互作用,很难被探测到,因此它也是基本粒子中人类所知最少的一种。提出中 微子存在假设的奥地利物理学家泡利甚至说:“天啊!我预言了一种永远找不到的粒子。”所以有人称之为“幽灵粒子”。它像一只看不见的手,控制着微观世界的 基本规律。

小小的中微子在微观物理粒子规律和宏观的宇宙演化中都有着重要地位,甚至可能与宇宙中的反物质消失之谜有关。因此,对它的研究远远超出了粒子物理的范畴,是粒子物理、天体物理、宇宙学、地球科学的交叉与热点学科。

经过六十多年的科研探索,中微子研究取得了巨大进步,先后有三次重大进展获得了诺贝尔物理学奖。尽管如此,至今仍有许多关于中微子的谜团尚未解开。其中,首要亟需解决的问题就是精确测定中微子混合参数θ13.

由于这个数值的不确定性,中微子物理研究目前已经走到了一个岔路口,如果这个值很小或者没有,那么全世界研究中微子的科学家们将共同面临一个尴尬局面:不知道未来中微子研究该向何方发展。可以说,θ13数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向。

大亚湾实验便是瞄准了θ13的精确测量。因此,在大亚湾地下100米进行的中微子实验,受到全世界粒子物理学家的热切关注。

这个难以捉摸的参数首次被精确测量,极大地振奋了国际高能物理界。实验成功后,多个国际顶尖机构纷纷发来贺电。

美国Arogonne国家实验室物理部主任Harry Weetrs教授表示,“现在,我们终于可以更精确的部署未来的中微子研究计划了”。

日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示,中微子震荡实验带来的光明前景令人激动不已,“或许在我们有生之年就可以揭开物质层次的奥秘。”

基础研究就是这样,或许现阶段看似“不实用”,但却可能成为千百年后各种重大发现诞生的摇篮。

“拼抢”得“险胜”

关于这个值的测量,国际上曾提出了8个较为成熟的实验建议,最终进入建设阶段的共有3个:中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。

从一开始,我们就站在了国际竞争的跑道上。

在大亚湾实验发布结果后的一周,韩国也发布了类似的实验结果。

经历了漫长的建设过程,大亚湾实验最后以一周的时间之差取得了领先,这其中,凝结着许多人辛勤的汗水,更凝结着中国科学家的智慧与远见。

大亚湾实验早在2003年就提出了实验和探测器设计的总体方案;经过各种前期考察、论证,于2006年获得批准,正式立项;2007年10月破 土动工,期间克服了重重前所未遇的困难,安全完成了核岛附近3000多次爆破、3000米地下隧道和5个地下实验厅的基础建设,完成了6个中微子探测器的 研制和装配。

参与单位多、异地建设等因素给工程带来了相当大的困难。

为了保证安全万无一失,隧道建设比预计延误了约2年时间,国际上一度认为中国不可能第一个得到实验结果。

在进度“落后”的情况下,大亚湾项目组科研、工程人员在探测器安装、取数计算等工作上,生生“抢”回了一年时间,赶在竞争对手前第一个发表了实验结果。

在时间上,比韩国RENO实验仅仅领先了一个星期,大亚湾中微子实验结果的取得充满了“惊险”。

工程进展环环相扣,往往是“牵一发而动全身”,所有工程人员为了整体进度而加班加点已经成为了常态。

甚至有一次,装配探测器的大吊车上的一个特制螺栓坏了,为了不影响整个工程各方的施工进度,工程人员亲自坐飞机去取,在机场完成交接后马上返回。在这种情况下,连快递都显得太“慢”了。

为了大亚湾实验能早日取数,每一个“大亚湾人”都克服了种种家庭、生活上的困难,长期出差,连夜鏖战。参与工程的一位工程师在工程关键时期每晚 工作到半夜两三点,春节后爱人来探亲,他还是每天半夜两三点才回家,两人几乎见不到面。结果他爱人住了几天后,一气之下拎包走了。

为了中国的科学实验能够在国际上抢得先机,几乎每一位参与施工建设的工程人员都默默奉献了许多,在这里,他们不仅仅是在工作,而是在“为国争 光”。有一位现场的工作人员曾发自内心地说“小时候想当科学家,现在虽然当不了科学家,但是能和科学家在一块儿工作,我感到非常荣幸。”

记者在采访的过程中,能感觉到每一位参与工程的人,在回忆起那些“苦事儿”的时候,都透着一种难掩的幸福。

很多参加大亚湾中微子实验的科学家是因为热情而加入,这个实验寄托了他们的理想,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,凭着超凡的创造力,用智慧和劳动建造了一个美丽的科学宫殿,在中微子物理研究领域留下了浓墨重彩的一笔。

数据分析环节是我国科研人员“抢”到的另一个先机。实验得到的数据是在第一时间被同步传输到北京高能所和美国的,但最终是中国首先出了结果。并 且在最终的物理结果中,虽然有中美两方结果的相互校验,但发表的文章中采用的正式结果是中方的。其物理分析的高速度、高水平甚至被国际上评价为“极其罕 见”。

在一次采访中,该实验项目副经理、文章执笔者和通讯作者曹俊向记者透露这背后的“秘密”:国际合作组正式成立不久,大亚湾实验中方的物理分析组 便提前开发出了相应的数据分析软件,并进行了多次的模拟演练,为日后的实战分析积累了经验,加上在紧张的数据分析冲刺阶段,数据分析小组夜以继日的努力, 因此比美方先得到了高质量的分析结果。

合作开“先河”

大亚湾实验的独特设计加上得天独厚的环境优势,使美国能源部因此放弃自己的2个方案,转而加入中国的大亚湾实验,这也是美国高能物理在海外的第二大投资。

大亚湾中微子实验项目共有11个经费来源,合作单位多达38个,约有250位科学家参加试验。

在这场声势浩大的国际合作项目中,中方毋庸置疑占据了主动。

得益于特殊的实验设计并充分利用环境因素,大亚湾实验在国际同类实验中设计精度最高,在中微子实验中前所未有,这其中包含了多项科技创新:

该实验是唯一采用统一实验室多模块探测器的中微子实验,提高了精度与可靠性,该设计得到了国际上的广泛关注与赞同;

首次提出在探测器内的上下都采用反射板,大大节省了造价;

首次研制了性能优异的、基于烷基苯的掺钆液体闪烁体,解决了一直以来困扰科研人员的液闪使用寿命问题。针对掺钆液体闪烁体的关键技术环节,中美 等各方曾经提出了多个方案,原则是“谁的方案好就用谁的”。经过讨论和第三方的“盲评”,中方的方案最终胜出,成为项目组一致公认的选择。

这一系列的创新之下取得的实验成果,为中国的高能物理界挣得了荣誉。

曹俊说,众所周知,美国人在工程方面有着很强的实力,但为什么大亚湾实验中,各方面都是中国人做得好?他总结道,该项目的首席科学家、项目经 理,中科院高能所所长王贻芳始终强调要把大亚湾实验“当成我们自己的事情”、“不要等美国人”,正是在这种理念的影响下,每个参与人员都把整个实验当作自 己的事情认真对待。

当然,国际合作也给中方带来不少的益处。王贻芳说,国际合作不仅在推动项目立项、解决关键经费缺口、增强项目的国际影响力等方面给予实验巨大的帮助之外,还加强了我们的竞争意识,大大推动了工作进程,同时在人才培养方面也有好处,“在国内就可以参与国际竞争”。

“过去是我们出国学习,现在别人来参加我们的实验”。王贻芳表示,大亚湾实验将我国的中微子研究带入了国际前沿,极大地提升了我国在探测器设计和建造方面的国际声誉,开创了国际合作的新局面。

后继有“新”人

我国高能物理基础相对薄弱,中微子研究在此前更几乎是空白。曹俊曾说过,“在这次大亚湾实验中,我们能来的科学家都来了。”

这其中,有一大批是年轻人。王贻芳感慨,“创新都是来自年轻人,年轻人在这里面做了国际上最好的工作!”

大亚湾实验的团队中不乏“80后”,甚至还有“90后”的年轻科研人员在实验中做了重要的工作。

王贻芳透露,大亚湾实验项目已培养博士后2名,博士19名,硕士1名,其中7人获得“中科院三好学生”、“所长优秀奖学金”等荣誉。此外还有多名实际参与工作的学生,也都从这个项目获益良多。

大亚湾中微子实验整个项目前后共经历了八年时间,项目负责人王贻芳说,建设期间国内几十家单位100多人,能力往一处使,老同志、中年人、年轻人,每个人都奉献了很多。“整个项目没有花俏的表面文章,经费的使用、人员的工作,都经得起历史的考验。”

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