不久前，中國(guó)剛剛誕生了一項(xiàng)重大物理成果。大亞灣國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩模式，并獲得了精確的測(cè)量數(shù)值。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的新發(fā)現(xiàn)不僅令全世界科技工作者為之振奮。
最“熱”中微子
中微子，是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子。恒星內(nèi)部的核反應(yīng)，超新星的爆發(fā)，宇宙射線與地球大氣層的撞擊，核反應(yīng)堆的運(yùn)行，以至于地球上巖石等各種物質(zhì)的衰變，都能產(chǎn)生中微子。每秒鐘，都有幾萬(wàn)億個(gè)中微子自由地穿過(guò)人體。
雖然中微子無(wú)所不在，但是由于穿透力極強(qiáng)，而且?guī)缀醪慌c其它物質(zhì)發(fā)生相互作用，很難被探測(cè)到，因此它也是基本粒子中人類(lèi)所知最少的一種。提出中微子存在假設(shè)的奧地利物理學(xué)家泡利甚至說(shuō)：“天啊！我預(yù)言了一種永遠(yuǎn)找不到的粒子。”所以有人稱之為“幽靈粒子”。它像一只看不見(jiàn)的手，控制著微觀世界的基本規(guī)律。
小小的中微子在微觀物理粒子規(guī)律和宏觀的宇宙演化中都有著重要地位，甚至可能與宇宙中的反物質(zhì)消失之謎有關(guān)。因此，對(duì)它的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了粒子物理的范疇，是粒子物理、天體物理、宇宙學(xué)、地球科學(xué)的交叉與熱點(diǎn)學(xué)科。
經(jīng)過(guò)六十多年的科研探索，中微子研究取得了巨大進(jìn)步，先后有三次重大進(jìn)展獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盡管如此，至今仍有許多關(guān)于中微子的謎團(tuán)尚未解開(kāi)。其中，首要亟需解決的問(wèn)題就是精確測(cè)定中微子混合參數(shù)θ13.
由于這個(gè)數(shù)值的不確定性，中微子物理研究目前已經(jīng)走到了一個(gè)岔路口，如果這個(gè)值很小或者沒(méi)有，那么全世界研究中微子的科學(xué)家們將共同面臨一個(gè)尷尬局面：不知道未來(lái)中微子研究該向何方發(fā)展。可以說(shuō)，θ13數(shù)值的大小決定了未來(lái)中微子物理研究的發(fā)展方向。
大亞灣實(shí)驗(yàn)便是瞄準(zhǔn)了θ13的精確測(cè)量。因此，在大亞灣地下100米進(jìn)行的中微子實(shí)驗(yàn)，受到全世界粒子物理學(xué)家的熱切關(guān)注。
這個(gè)難以捉摸的參數(shù)首次被精確測(cè)量，極大地振奮了國(guó)際高能物理界。實(shí)驗(yàn)成功后，多個(gè)國(guó)際頂尖機(jī)構(gòu)紛紛發(fā)來(lái)賀電。
美國(guó)Arogonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室物理部主任Harry Weetrs教授表示，“現(xiàn)在，我們終于可以更精確的部署未來(lái)的中微子研究計(jì)劃了”。
日本T2K大型粒子探測(cè)實(shí)驗(yàn)的發(fā)言人表示，中微子震蕩實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的光明前景令人激動(dòng)不已，“或許在我們有生之年就可以揭開(kāi)物質(zhì)層次的奧秘。”
基礎(chǔ)研究就是這樣，或許現(xiàn)階段看似“不實(shí)用”，但卻可能成為千百年后各種重大發(fā)現(xiàn)誕生的搖籃。
“拼搶”得“險(xiǎn)勝”
關(guān)于這個(gè)值的測(cè)量，國(guó)際上曾提出了8個(gè)較為成熟的實(shí)驗(yàn)建議，最終進(jìn)入建設(shè)階段的共有3個(gè)：中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國(guó)的Double Chooz實(shí)驗(yàn)和韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。從一開(kāi)始，我們就站在了國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的跑道上。
在大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)布結(jié)果后的一周，韓國(guó)也發(fā)布了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的建設(shè)過(guò)程，大亞灣實(shí)驗(yàn)最后以一周的時(shí)間之差取得了領(lǐng)先，這其中，凝結(jié)著許多人辛勤的汗水，更凝結(jié)著中國(guó)科學(xué)家的智慧與遠(yuǎn)見(jiàn)。
大亞灣實(shí)驗(yàn)早在2003年就提出了實(shí)驗(yàn)和探測(cè)器設(shè)計(jì)的總體方案；經(jīng)過(guò)各種前期考察、論證，于2006年獲得批準(zhǔn)，正式立項(xiàng)；2007年10月破土動(dòng)工，期間克服了重重前所未遇的困難，安全完成了核島附近3000多次爆破、3000米地下隧道和5個(gè)地下實(shí)驗(yàn)廳的基礎(chǔ)建設(shè)，完成了6個(gè)中微子探測(cè)器的研制和裝配。
參與單位多、異地建設(shè)等因素給工程帶來(lái)了相當(dāng)大的困難。
為了保證安全萬(wàn)無(wú)一失，隧道建設(shè)比預(yù)計(jì)延誤了約2年時(shí)間，國(guó)際上一度認(rèn)為中國(guó)不可能第一個(gè)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在進(jìn)度“落后”的情況下，大亞灣項(xiàng)目組科研、工程人員在探測(cè)器安裝、取數(shù)計(jì)算等工作上，生生“搶”回了一年時(shí)間，趕在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手前第一個(gè)發(fā)表了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
在時(shí)間上，比韓國(guó)RENO實(shí)驗(yàn)僅僅領(lǐng)先了一個(gè)星期，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)結(jié)果的取得充滿了“驚險(xiǎn)”。
工程進(jìn)展環(huán)環(huán)相扣，往往是“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，所有工程人員為了整體進(jìn)度而加班加點(diǎn)已經(jīng)成為了常態(tài)。
甚至有一次，裝配探測(cè)器的大吊車(chē)上的一個(gè)特制螺栓壞了，為了不影響整個(gè)工程各方的施工進(jìn)度，工程人員親自坐飛機(jī)去取，在機(jī)場(chǎng)完成交接后馬上返回。在這種情況下，連快遞都顯得太“慢”了。
為了大亞灣實(shí)驗(yàn)?zāi)茉缛杖?shù)，每一個(gè)“大亞灣人”都克服了種種家庭、生活上的困難，長(zhǎng)期出差，連夜鏖戰(zhàn)。參與工程的一位工程師在工程關(guān)鍵時(shí)期每晚工作到半夜兩三點(diǎn)，春節(jié)后愛(ài)人來(lái)探親，他還是每天半夜兩三點(diǎn)才回家，兩人幾乎見(jiàn)不到面。結(jié)果他愛(ài)人住了幾天后，一氣之下拎包走了。
為了中國(guó)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟趪?guó)際上搶得先機(jī)，幾乎每一位參與施工建設(shè)的工程人員都默默奉獻(xiàn)了許多，在這里，他們不僅僅是在工作，而是在“為國(guó)爭(zhēng)光”。有一位現(xiàn)場(chǎng)的工作人員曾發(fā)自內(nèi)心地說(shuō)“小時(shí)候想當(dāng)科學(xué)家，現(xiàn)在雖然當(dāng)不了科學(xué)家，但是能和科學(xué)家在一塊兒工作，我感到非常榮幸。”期間，能感覺(jué)到每一位參與工程的人，在回憶起那些“苦事兒”的時(shí)候，都透著一種難掩的幸福。
很多參加大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家是因?yàn)闊崆槎尤耄@個(gè)實(shí)驗(yàn)寄托了他們的理想，他們自喻為“一群勤勞的螞蟻”，工作在沒(méi)有陽(yáng)光、陰暗潮濕的隧道，憑著超凡的創(chuàng)造力，用智慧和勞動(dòng)建造了一個(gè)美麗的科學(xué)宮殿，在中微子物理研究領(lǐng)域留下了濃墨重彩的一筆。
數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)是中國(guó)科研人員“搶”到的另一個(gè)先機(jī)。實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)是在第一時(shí)間被同步傳輸?shù)奖本└吣芩兔绹?guó)的，但最終是中國(guó)首先出了結(jié)果。并且在最終的物理結(jié)果中，雖然有中美兩方結(jié)果的相互校驗(yàn)，但發(fā)表的文章中采用的正式結(jié)果是中方的。其物理分析的高速度、高水平甚至被國(guó)際上評(píng)價(jià)為“極其罕見(jiàn)”。
在一次采訪中，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目副經(jīng)理、文章執(zhí)筆者和通訊作者曹俊向記者透露這背后的“秘密”：國(guó)際合作組正式成立不久，大亞灣實(shí)驗(yàn)中方的物理分析組便提前開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件，并進(jìn)行了多次的模擬演練，為日后的實(shí)戰(zhàn)分析積累了經(jīng)驗(yàn)，加上在緊張的數(shù)據(jù)分析沖刺階段，數(shù)據(jù)分析小組夜以繼日的努力，因此比美方先得到了高質(zhì)量的分析結(jié)果。
合作開(kāi)“先河”
大亞灣實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特設(shè)計(jì)加上得天獨(dú)厚的環(huán)境優(yōu)勢(shì)，使美國(guó)能源部因此放棄自己的2個(gè)方案，轉(zhuǎn)而加入中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)，這也是美國(guó)高能物理在海外的第二大投資。
大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共有11個(gè)經(jīng)費(fèi)來(lái)源，合作單位多達(dá)38個(gè)，約有250位科學(xué)家參加試驗(yàn)。
在這場(chǎng)聲勢(shì)浩大的國(guó)際合作項(xiàng)目中，中方毋庸置疑占據(jù)了主動(dòng)。得益于特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并充分利用環(huán)境因素，大亞灣實(shí)驗(yàn)在國(guó)際同類(lèi)實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)精度最高，在中微子實(shí)驗(yàn)中前所未有，這其中包含了多項(xiàng)科技創(chuàng)新：
該實(shí)驗(yàn)是唯一采用統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)室多模塊探測(cè)器的中微子實(shí)驗(yàn)，提高了精度與可靠性，該設(shè)計(jì)得到了國(guó)際上的廣泛關(guān)注與贊同；
首次提出在探測(cè)器內(nèi)的上下都采用反射板，大大節(jié)省了造價(jià)；
首次研制了性能優(yōu)異的、基于烷基苯的摻釓液體閃爍體，解決了一直以來(lái)困擾科研人員的液閃使用壽命問(wèn)題。針對(duì)摻釓液體閃爍體的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，中美等各方曾經(jīng)提出了多個(gè)方案，原則是“誰(shuí)的方案好就用誰(shuí)的”。經(jīng)過(guò)討論和第三方的“盲評(píng)”，中方的方案最終勝出，成為項(xiàng)目組一致公認(rèn)的選擇。
這一系列的創(chuàng)新之下取得的實(shí)驗(yàn)成果，為中國(guó)的高能物理界掙得了榮譽(yù)。
曹俊說(shuō)，眾所周知，美國(guó)人在工程方面有著很強(qiáng)的實(shí)力，但為什么大亞灣實(shí)驗(yàn)中，各方面都是中國(guó)人做得好？他總結(jié)道，該項(xiàng)目的首席科學(xué)家、項(xiàng)目經(jīng)理，中科院高能所所長(zhǎng)王貽芳始終強(qiáng)調(diào)要把大亞灣實(shí)驗(yàn)“當(dāng)成我們自己的事情”、“不要等美國(guó)人”，正是在這種理念的影響下，每個(gè)參與人員都把整個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)作自己的事情認(rèn)真對(duì)待。
當(dāng)然，國(guó)際合作也給中方帶來(lái)不少的益處。王貽芳說(shuō)，國(guó)際合作不僅在推動(dòng)項(xiàng)目立項(xiàng)、解決關(guān)鍵經(jīng)費(fèi)缺口、增強(qiáng)項(xiàng)目的國(guó)際影響力等方面給予實(shí)驗(yàn)巨大的幫助之外，還加強(qiáng)了我們的競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，大大推動(dòng)了工作進(jìn)程，同時(shí)在人才培養(yǎng)方面也有好處，“在國(guó)內(nèi)就可以參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)”。
“過(guò)去是我們出國(guó)學(xué)習(xí)，現(xiàn)在別人來(lái)參加我們的實(shí)驗(yàn)”。王貽芳表示，大亞灣實(shí)驗(yàn)將我國(guó)的中微子研究帶入了國(guó)際前沿，極大地提升了我國(guó)在探測(cè)器設(shè)計(jì)和建造方面的國(guó)際聲譽(yù)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)際合作的新局面。
后繼有“新”人
中國(guó)高能物理基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，中微子研究在此前更幾乎是空白。曹俊曾說(shuō)過(guò)，“在這次大亞灣實(shí)驗(yàn)中，我們能來(lái)的科學(xué)家都來(lái)了。”
這其中，有一大批是年輕人。王貽芳感慨，“創(chuàng)新都是來(lái)自年輕人，年輕人在這里面做了國(guó)際上最好的工作！”
大亞灣實(shí)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)中不乏“80后”，甚至還有“90后”的年輕科研人員在實(shí)驗(yàn)中做了重要的工作。
王貽芳透露，大亞灣實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已培養(yǎng)博士后2名，博士19名，碩士1名，其中7人獲得“中科院三好學(xué)生”、“所長(zhǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)學(xué)金”等榮譽(yù)。此外還有多名實(shí)際參與工作的學(xué)生，也都從這個(gè)項(xiàng)目獲益良多。
大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)整個(gè)項(xiàng)目前后共經(jīng)歷了八年時(shí)間，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人王貽芳說(shuō)，建設(shè)期間國(guó)內(nèi)幾十家單位100多人，能力往一處使，老同志、中年人、年輕人，每個(gè)人都奉獻(xiàn)了很多。“整個(gè)項(xiàng)目沒(méi)有花俏的表面文章，經(jīng)費(fèi)的使用、人員的工作，都經(jīng)得起歷史的考驗(yàn)。”
