这个拿了国家大奖的中微子,跟广东有脱不了的“干系”

付聪
2017-01-17 02:44:04
“因为中微子的振荡模式比预期明显,大亚湾必须争分夺秒,赶在其他实验室之前能够把物理成果拿出来。” 何苗向时代周报记者解释道。

时代周报记者 付聪 发自深圳 大鹏镇

顾文强坐在电脑前,盯着中微子振荡的数据从100米的地下深处传来,一连串的数据在屏幕上形成了心电图的模样,“这就是中微子的心跳”。

身为大亚湾反应堆中微子实验室的博士生,顾文强对着时代周报记者打比方的样子,就像个格外努力的理科生。打完比方,他又扭过头去紧盯屏幕,写起了代码做起了分析,仿佛忘记了还有获奖这回事—1月9日,在2016年度国家科学技术奖励的大会上,大亚湾反应堆中微子实验室发现的中微子振荡新模式,夺得了2016年国家自然科学奖一等奖。

这是属于中国科学的最高荣誉,17年间9度空缺。这一次,它被奖励了一场发生在4年前(注:按国家规定,任何科技成果需3年以后才可申报国家自然奖)的科学发现:2012年3月8日,大亚湾反应堆中微子实验室发现了一种新的中微子振荡,并且精确测出了它的振荡几率为θ13。塞在实验室办公桌里的几顶安全帽上,也全都印着“θ13”。顾文强笑着解释说:“θ13可以算是我们实验室的LOGO了。”

这个Logo捉摸不定,但其地域上的“广东属性”则一目了然:除了深圳大亚湾中微子实验室,中国科学院院士、大亚湾实验项目负责人王贻芳正在同时推进的中国第二个大型中微子实验项目,选址广东江门,预计2020年进行取数工作。

此次大亚湾中微子实验夺得2016年度国家自然科学奖一等奖,让接棒的江门中微子实验备受瞩目。“如果说大亚湾实验测到中微子的θ13是起步的话,那么正在建设的江门中微子实验室,很有希望确定中微子的质量顺序从而实现跨越。”王贻芳说道。

诺奖“富矿”

分析完手头的数据,顾文强戴上一顶印着θ13的安全帽,驾驶一辆电瓶车,准备到装有中微子探测器的地下实验厅去看一看—那里是捕获中微子的第一现场。“地下一共有3个实验厅,我们要去最远的3号实验厅。”顾文强对时代周报记者介绍。

电瓶车开在悠长的地下隧道里,隧道被电灯照得透亮,显得格外幽静。这条隧道全长3000多米,直通山腹,两边是山体厚厚的岩石层,电瓶车开了近10分钟才到尽头。这里的3号实验厅里有一座大型的水池,捕捉中微子的探测器安静地躺在水下。

如今,这个实验室可以对世界上精度最高的中微子振荡模式进行测量,但实验室建造的背后,有另一段艰难的往事。“整个实验室是吃着‘百家饭’长大的,它的建立离不开各级政府的帮助。”中国科学院高能物理研究所研究员何苗告诉时代周报记者。

什么是中微子?中国科学院高能物理研究所所长、大亚湾反应堆中微子实验项目经理王贻芳这样解释:“小小的中微子,是构成物质世界的基本粒子之一,在微观的物质世界和宏观的宇宙中起着非常重要的作用,是联系物理学、天文学、宇宙学和天体物理学的重要纽带。”

而在文学家的眼里,中微子的神秘无与伦比。“它们很小/它们没有电荷,没有质量/并且完全不相互作用……它们怠慢最优雅的气体/无视最坚固的墙/无语的钢和响亮的铜/在马厩里欺负小马驹/辱骂等级的堡垒/穿过你和我/就像高旋的无痛铡刀/切过我们的头来到草地上/夜间,它们到了尼泊尔/从床下面刺穿情侣—/你说这真奇妙,我说真了不起。”这是美国小说家约翰·厄普代克特地为中微子写的一首诗,取名《宇宙的烦恼》。

过去的80年时间里,人类对中微子的认识从无到有,取得了诸多重大突破。中微子领域成了诺奖的“富矿”:自1956年以来,相关研究已经斩获四次诺贝尔奖。

1998年和2002年,“大气中微子振荡”和“太阳中微子振荡”先后被发现,而中微子的最后一个未知振荡参数—混合角θ13,成了找到第三种振荡模式的钥匙。2003年前后,来自世界不同国家的科学家一共提出了8个可能的实验方案,用以测量θ13,其中包括大亚湾反应堆中微子实验方案,2006年该方案正式立项。

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总理出面

任何科研都需要大量的经费支持,大亚湾中微子实验更是如此。何苗对时代周报记者透露:“整个项目需要的总经费是2.4亿元。这个项目以中美合作为主,中方需要出资1.6亿元。当时没有任何一个科研单位可以独立承担这样的费用,这1.6亿元就是从各个政府单位那里凑起来的‘百家饭’。主要出钱的是科技部、基金委、中科院,还有广东省政府、深圳市政府、中国广东核电集团等几个单位。”

除了各自提供1000万元的经费,广东省政府和深圳市政府给予了实验室多次“特事特办”。实验需要进口专门的设备仪器,就简化海关审批程序。负责实验室现场管理的江群,还向时代周报记者特意提起了另一段往事。作为大亚湾实验的项目法人单位,中国科学院高能物理研究所在深圳没有一寸土地,同时也并非在深圳注册的法人,因而不具备向当地政府申请建设工程的资格。为此,2006年年底,深圳市政府开了一场有20多位委办局领导参加的协调会,专门研究如何让大亚湾实验配套的基建工程顺利开工,会议最终决定以大亚湾核电站的所有者中国广核集团的名义申请建设。

“整个基建工程里,挖隧道是最花钱的,但最难的是可以让你在核电站里挖隧道。”江群回忆。当时的实验室附近是一片山峦,根据中微子实验的物理需求,需在距离核反应堆2公里以内的位置建立地下实验室,离核反应堆最近的位置只有300米。同时,挖隧道需要实施大量的爆破工程—在核反应堆旁边进行爆破,极有可能引发核反应堆停止,造成巨大的经济损失,“为了能够让我们进驻到核电站里做实验,当时连李鹏总理都亲自出面,来帮我们做协调”。2010年,经过数年的施工建设,中微子实验室的隧道及地下实验厅建成,并于2011年将中微子探测器安装就位。

何苗告诉时代周报记者:“包括正在建设的江门中微子实验室,当地政府也十分支持,除了资金与行政支持,他们还特意从附近的省道修了一条公路,和我们实验区相连,那条路就取名叫‘中微子大道’。”

顺带一提的是,前文提及的8个国际方案,最终有5个由于没有经费支持或者得不到核电厂支持而不得不放弃。最终顺利实施的只有3家,分别是法国的Double Chooz、韩国的RENO和中国的大亚湾中微子实验室。

一场顶级竞争在三家实验室之间展开。

75个昼夜

在地下3号实验厅里,放着一个3米高的巨大有机玻璃罐,侧面布满“小灯泡”,仿佛一个个大眼睛。顾文强告诉时代周报记者:“这是当初备用的一个探测器的内部零件,两边像灯泡一样的叫光电倍增管,每个探测器有192个这样的‘小灯泡’,它们就是仪器的眼睛,用来捕捉中微子的信号。”

1号、2号实验厅是近点(注:意为距离核反应堆较近),3号实验厅是远点。“这个探测器,就是当年我们战胜法国与韩国实验室的秘密武器。每个近点的探测器,每天都能捕捉近1000个中微子,比法、韩实验室都要多。”顾文强对时代周报记者解释,“但我们最核心的技术是装在罐子里的液体—液闪。”

液闪即液体闪烁体,是捕捉中微子的介质。每个探测器里装着20吨的液闪,中微子穿过液闪时,会转换成光信号,进而被光电倍增管捕捉。

注视着备用玻璃罐,顾文强回忆起2011年12月24日。当时他只是一名大四的本科生,跟随导师参与到了中微子探测项目中。整个实验室团队共有40个研究单位、共计270多名科研人员,中方和美方都有10多名博士后参与。

那天晚上大约11点时,六七个年轻人在大亚湾中微子实验站的控制室里,依次启动了3个实验厅的数据采集。整个团队面临着巨大的压力,因为法国和韩国的两家实验室几乎是同时开始了取数。“因为中微子的振荡模式比预期明显,大亚湾必须争分夺秒,赶在其他实验室之前能够把物理成果拿出来。” 何苗向时代周报记者解释道。顾文强感受到了那种压力:“我们的设备、人才规模都比法国和韩国的实验室大,假如是对方先发现并公布物理成果,会很丢脸。”

每隔5分钟,3个实验厅的数据就达到1GB,这些数据被同步传至北京。收到数据的何苗坐在电脑前,开始写代码、数据分析。“那时候都基本没有什么休息,醒来就是继续工作。”

到2月17日,3个实验厅的数据采集了整整55天之后,大亚湾中微子实验的数据分析团队发现,取得的数据已经足够支撑他们的理论分析。3月8日,在中国科学高能物理研究所最大的报告厅里,这一激动人心的科学发现被正式公布:大亚湾中微子实验室发现了第三种中微子振荡模式(对应中微子混合角θ13),并准确测量到了其振荡概率。

至此,在这场法国、日本、韩国、中国等多国参与的大科学“赛事”中,中国仅用75天便率先冲线。在大亚湾实验公布成果20多天后,韩国实验室发布了类似的物理成果。何苗告诉时代周报记者:“可以说,我们赢得其实相当惊险。”

新的挑战

顾文强住在周边的大鹏镇上,这是个由核电站带动发展起来的小镇,处于深圳郊区,路上几乎拦不到计程车,也少有行人,“大鹏镇住的大部分都是核电厂的工人,有好几万呢。”

与大鹏镇的荒凉相比,大亚湾核电站里显得相当热闹,中午时分的食堂人声鼎沸,大巴拉着一车又一车的工人来吃饭。园区的门口有个专家区,路过那里的江群心生感慨:“原来那里叫法国专家区,全都是给法国专家住的(注:大亚湾核电站早先由法国人提供技术修建),现在法国人全走了,住的都是我们中国的专家。”

这几年,大鹏镇的旅游业逐渐发展起来,顾文强偶尔会去海边转一转,“当中微子振荡模式发现的时候,我们都很激动”,顾文强敲着键盘,顿了顿说,“但大多时候的科学工作,就像我们平时做数据分析一样,其实没有那么多激动人心的时刻。”

尽管工作没有太多变化,但大亚湾中微子实验改变了顾文强的人生轨迹,他已经从当年的本科生变成了即将毕业的博士生。对明年的答辩,顾文强胸有成竹:“到时候就汇报我在大亚湾中微子实验室的工作嘛。”江群告诉时代周报记者,“在大亚湾中微子实验项目中,我们培养了一大批像顾文强这样的青年人才。”

实验也倒逼了中国制造技术的革新。除了前文提及的液闪,还有许多技术伴随中微子实验得以提高。例如中微子探测器所使用的最大直径达5米的钢罐,为了保证实验的高精度,钢罐有很多“私人定制”的要求:罐壁要薄,要避免变形,因此对控制焊接提出了极高要求。做第一台钢罐足足费了一年多工夫,在此之前,国内从未制造如此巨大的密封圈。

目前,中微子研究的重点已经转移到了正在建设的江门中微子实验室:“中微子一共有3种,我们在江门的研究与大亚湾的完全不同,主要研究的是不同中微子的质量顺序。同时,也将对现有的几种中微子振荡模式进行更精确的测量,进而寻找有没有可能存在第四种中微子。这些都是中微子研究的未来方向。”何苗说道。

在刘慈欣的科技小说《带上她的眼睛》里,中微子被用在了宇宙通讯上。何苗告诉时代周报记者:“中微子未来在通讯领域大有可为。它在传播中几乎不受影响,要是从中国向美国发信号,中微子是直接从地球内部走的。”

但这一天的到来可能还要等待很久。顾文强觉得对待中微子的应用研究要有耐心,“原子刚刚被发现的时候,谁也没想到可以用来造原子弹;量子被发现的时候,量子计算机连概念都没有。如今的中微子也是一样”。

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