http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-05-07
大亚湾中微子实验取得重大物理成果的背后
破解中微子未解之谜——大亚湾中微子实验取得重大物理成果的背后
新华网北京4月29日电(记者 吴晶晶)在距离我国大亚湾核电站仅360米的地下，坚守着这样一群科学家，他们工作在地下100米的寂静岩洞里，却是奋斗在粒子物理研究的最前沿。
他们的研究对象是物质世界最基本的粒子之一——中微子；他们所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了重大成果——科学家首次发现中微子的第三种振荡模式，并精确测出了它的振荡几率。这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。
挑战世界科学最前沿
中微子是物质世界最基本的粒子之一，对它的认识将揭开宇宙演变的诸多奥秘。最近20多年，世界上有6位研究中微子的科学家获得诺贝尔奖。
2003年，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。美国能源部甚至放弃支持本国的两个实验方案，转而支持美国科学家加入大亚湾实验。
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。
大亚湾国际合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克及香港、台湾地区的39个研究机构、200余名研究人员组成。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。此外黄河勘测规划设计有限公司、中铁十五局、广东中泽重工有限公司等20余家企业参加了项目的设计建设、设备制造和科研攻关等。
“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。
大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳3月8日在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。这一重要成果是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中的“反物质消失之谜”。图为大亚湾实验项目三号实验大厅，于2011年12月24日开始运行(资料照片)。 新华社发
破解中微子未解之谜——大亚湾中微子实验取得重大物理成果的背后
新华网北京4月29日电(记者 吴晶晶)在距离我国大亚湾核电站仅360米的地下，坚守着这样一群科学家，他们工作在地下100米的寂静岩洞里，却是奋斗在粒子物理研究的最前沿。
他们的研究对象是物质世界最基本的粒子之一——中微子；他们所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了重大成果——科学家首次发现中微子的第三种振荡模式，并精确测出了它的振荡几率。这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。
挑战世界科学最前沿
中微子是物质世界最基本的粒子之一，对它的认识将揭开宇宙演变的诸多奥秘。最近20多年，世界上有6位研究中微子的科学家获得诺贝尔奖。
2003年，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。美国能源部甚至放弃支持本国的两个实验方案，转而支持美国科学家加入大亚湾实验。
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。
大亚湾国际合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克及香港、台湾地区的39个研究机构、200余名研究人员组成。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。此外黄河勘测规划设计有限公司、中铁十五局、广东中泽重工有限公司等20余家企业参加了项目的设计建设、设备制造和科研攻关等。
“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。
凭实力赢得尊重
大亚湾中微子实验由中国和美国共同领导，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。”项目副经理曹俊说，“中国团队凭实力赢得了尊重。”
项目经理、高能所所长王贻芳介绍，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。
掺钆液闪是中微子探测器的一项关键技术，每当捕捉到中微子时，它将会发出微弱的光。而让无机物钆与有机物烷基苯稳定混合在一起，并保持长期透明，是科学界的一大难题。法国的一项同类实验，就因为液闪只使用了100天就变得浑浊，被迫终止。
当时，项目组内中美等国提出了多个方案。在第三方评议中，由中科院高能所研制出的液闪配方性能更佳、稳定性更好，最终成为探测器的选择。
“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。”
挑战自我抢占先机
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。隧道施工中，建设人员安全完成了在有特殊安全要求的核岛附近的3000多次爆破，全部满足国家相关要求。
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。
[中广网]
相关报道
我国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
图为运行取数中的一号实验厅
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。”
[人民网]