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    【人民日報】做,就做不一樣的實驗
    2016年05月10日 07:27:00  來源:人民日報 吳月輝    字體大小[]

    中科院高能所王貽芳團隊發現新的中微子振蕩模式,在國際高能物理界引起熱烈反響

    【人民日報】做,就做不一樣的實驗  

     

      中微子探測器成功安裝在巨型水池之中?! ≈锌圃焊吣芩﹫D

      重大原創成果贏得的掌聲是經久不息的:2012年3月8日,中國科學院高能物理研究所王貽芳團隊參與的大亞灣中微子實驗國際合作組發現的中微子振蕩新模式,入選美國《科學》雜志評選的當年度十大科學突破,并且,3年后的2015年11月9日,大亞灣中微子項目首席科學家王貽芳還憑借這一成果獲得“基礎物理學突破獎”——這也是中國科學家在國際上首次獲得這一殊榮。

      這項重大物理成果在國際高能物理界引起熱烈反響,被譽為“開啟了未來中微子物理發展的大門”。業界同行指出,大亞灣實驗測量到中微子混合參數θ13,將為今后中微子物理、天體物理、宇宙學等前沿科學研究提供精確的初值輸入,對基本粒子物理的大統一理論、尋找與鑒別新物理,甚至揭開宇宙“反物質消失之謎”具有重要意義。

      大亞灣中微子實驗團隊到底是如何摘得這一桂冠的?

      眼光 

        在意識到測θ13數值的重要性之后,王貽芳認為中國絕不能錯失這次機會,應該積極參與其中 

      大亞灣中微子實驗團隊取得成功,首先要歸因于他們敏銳的眼光。

      2003年冬天,當時還是中國科學院高能物理研究所一名普通研究員的王貽芳注意到,利用反應堆中微子來測θ13已成為國際熱點,多個外國團隊正打算進行同類實驗,一場競爭激烈的賽跑正悄然展開。

      中微子是構成物質世界的12種基本粒子之一。由于它幾乎不跟任何物質發生作用,不容易被捕捉到,因此也成為人類迄今為止了解最少的一種基本粒子。

      “然而,了解中微子卻非常重要,對它的認識和研究將有助于揭開宇宙演變的諸多奧秘?!蓖踬O芳說。

      根據“大爆炸”理論,宇宙在誕生之時,物質與反物質應該是等量產生的。但在過去的近百年里,人類在可觀測到的宇宙范圍內,一直沒有發現宇宙中有大量反物質存在的跡象。截至目前,科學家們認為,反物質已經消失了。那反物質到底去哪兒了?這是宇宙起源和演化中的一個重大謎團,而中微子振蕩或許是解開這個謎團的鑰匙。

      “要解開這個謎團,中微子混合參數θ13數值的測量將是必須跨越的一步。中微子混合參數總共有6個,之前已經有3個半被測出了。只有對混合參數θ13完成測量之后,科學家才能進行下一步工作?!蓖踬O芳說。

      在意識到測θ13數值的重要性之后,王貽芳認為中國絕不能錯失這次機會,應該積極參與其中。于是他和同事們首先設計出了一個實驗方案,然后在許多人的幫助下開始多方奔走,呼吁國內也開展同類研究。

      堅持 

        王貽芳不甘心這么好的項目因為沒有經費而“流產”,決定帶著實驗團隊,堅持去做一件他們本不擅長的事情——找經費 

      想法固然是好的,但真正實施起來卻困難重重。首先要過的一個難關就是申請立項獲得資金。

      在大亞灣中微子實驗項目之初,整個工程估算下來至少需要2.4億元。盡管王貽芳的方案獲得了科技部、中科院和基金委等單位的高度認可,但卻沒有單位能批出這么多錢來實際支持這個項目。

      “根據我國當時的經費支持政策與慣例,國家自然科學基金委員會的項目一般最多為1000萬元;科技部的‘973’項目,一般上限為4000萬元。3億元以上的項目可以去國家發改委申請大科學裝置項目。這意味著,4000萬元至3億元之間的項目,沒有部門可以受理。我們的大亞灣中微子實驗項目正好處于這個‘真空地帶’?!辈芸≌f。

      曹俊回憶說,他和王貽芳當時決定拿出自己的人才基金,一個基金重點項目,再加上高能所特批的幾十萬元,來湊這筆經費?!暗退氵@樣,也才只有幾百萬元,相比上億元還是相差太遠了!”

      怎么辦呢?王貽芳不甘心這么好的項目因為沒有經費而“流產”,決定帶著實驗團隊,堅持去做一件他們本不擅長的事情——找經費。

      最終,在大家的堅持和努力下,國際合作解決了8000萬元,然后由包括科技部、中科院在內的國內6家單位共同出資1.57億元,這一項目終于在2006年5月得以正式立項。后來,團隊內部常常自我調侃:“費了大勁才請來6個‘婆婆’”。

      這種堅持不放棄的精神在實驗的各個階段都有體現。

      大亞灣中微子實驗項目是中國基礎科學領域目前最大的國際合作項目。在合作初期,項目的主要合作方中國和美國就曾在實驗方案上出現分歧。當時,王貽芳認為中方的方案在科學上更有優勢,于是在一年多的時間內,與10余位具有國際影響力的美國高能物理學家據理力爭,最終被大家接受。

      “現在的科學研究,很難關起門來做。國際上各種技術的發展日新月異,不可能所有技術、所有新發現都是我們做出來的,我們只是很小的一部分,一起合作才能走在技術上的最前沿?!蓖踬O芳說,“但在合作的過程中一定要把握好度。一方面,要吸引國際上的科技隊伍來做這個事,得讓別人有發言權,讓別人覺得有主人的感覺;同時也要注意不能放棄主導權?!?/p>

       創新 

        如果別人做了,我們再做就沒有意義了。我們要有創新,要有自己的特點 

      大亞灣中微子實驗基地位于廣東大亞灣核電站旁,共有3個實驗大廳,均位于山腹內,由水平隧道相連。每個實驗廳內各有一套宇宙線探測系統。中微子探測系統共有8個模塊,兩個近點各放置兩個,遠點放置4個。此外還有兩個功能廳,用于液體閃爍體的混制、貯存和灌裝及水的凈化處理。

      “探測中微子的中心探測器是一個直徑5米、高5米的圓桶,里面裝有液體閃爍體,總重110噸。其核心部分是液體閃爍體和光電倍增管。中微子在探測器內發生反應后能夠激發液體閃爍體,產生微弱的閃爍光。光電倍增管探測到閃爍光,將它轉換成電信號,這樣我們就探測到了中微子?!辈芸≌f。

      曹俊說,現在的這個最終方案是團隊在資金不多的情況下,發揮聰明才智設計出來的最佳方案,精度非常高,又有很多創新。

      2003年前后,有7個國家提出了8個實驗方案,最終進入建設階段的共有3個:中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。

      面對競爭,王貽芳并不害怕,他有自己清醒的判斷,他要另辟蹊徑,做一個不一樣的實驗?!皩嶒灢皇且惶靸商炀湍茏龅?,需要琢磨,我們能不能做。還有就是別人有沒有做過,如果別人做了,我們再做就沒有意義了,我們要有創新,要有自己的特點”。所以他認為,必須根據自己現有的條件、技術、環境、資金等來選擇一個項目,走到國際最前沿。

      為了讓實驗測得更精準,王貽芳當時創造性地提出要放置8個一模一樣的探測器。然而,要把探測器造得一模一樣是非常困難的,何況還要造8個,這能行嗎?這個方案一提出來,便受到許多人的質疑。

      “兩個探測器之間多少肯定是會有差別的,那差多少?我當時進行了模擬計算,估計可以做到兩個探測器之間探測效率相差0.38%,但實驗經驗豐富的法國團隊說他們只能做到0.6%,韓國團隊說能做到0.5%??磥硪寚H同行信服我們確實達到了這么高的精度是很困難的。因此,王貽芳提出每個實驗點放2到4個探測器,同一個站點的探測器在同樣的環境下直接比較。最終經過現場實驗數據的比較,我們做出來的差別只有0.2%,比預估的還要小?!辈芸≌f。

      最終,這個最初并不被十分看好的科研團隊只用了55天時間,便測得了中微子混合參數θ13數值和一種新的中微子振蕩模式,獲得了這場賽跑的最后勝利。

     ?。ㄔd于《人民日報》 2016-05-09 20版)

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