【中国报道】中微子研究,向着未来奔跑

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更新时间:2019-12-30 14:30

       对话中国科学院院士、中科院高能物理研究所所长王贻芳——努力为科学高楼再添一块砖

  在中国做基础性科学研究,处于不同的时代有何不同体会?

  王贻芳:当中国开始改革开放的时候,我们是最先出海的那批人,去看到一个复杂的新世界。我学到了很多,我也享受其中。在此过程中,中国也取得了长足的进步,并且在经济上能够负担一些纯粹的科学研究。我们相信,我们应该抓住这个机会,与人们合作,以增进我们的知识,帮助我们的人民,我觉得这是经济与科学之间一种交替互动。我想只有我做我能做的事情,才能回馈我早期学到的东西,才可以促进世界变得更好。

  当然了,我们非常希望与世界各地的同僚一道从事纯科学研究工作,我们也从他们那里学到了很多东西,在未来,我们也愿意在该领域中与他们合作。

  中国报道:您认为在未来,对中微子的深入了解将如何改变社会?

  王贻芳:这只是科学的一个子领域,只是其中很小的一部分,并不是那么引人注目,而是一种纯粹的科学。我认为每一项知识都是有用的。这些与纯科学相关的知识的积累是会对我们的世界有所帮助的。最后,每个人都会从中受益。它就像一栋高楼,有很多砖,你不能说哪块砖更重要,因为只要有一处断开,整栋楼都会倒塌。所以我们只是在努力地为这栋高楼再添一块砖。科学知识、整个世界的科学体系乃至整个社会中,每个人都在尽其所能。

  历史总是在某些时间的交汇点上做一些标注,让它更为显眼一点。而2015年对于中微子研究来说,的确值得强调一下。

  2015年10月,当年的“诺贝尔物理学奖”授予了56岁的日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟·麦克唐纳。梶田的获奖理由,是发现基本粒子中微子存在质量。这已经是日本凭借中微子研究获得诺贝尔奖的第二位科学家了。而在全世界范围内,与中微子直接相关的科学研究更是获得了4次诺贝尔物理学奖。

  2015年的12月,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳当选为中国科学院院士。也就在这一年,江门中微子实验开始建设,并将于2021年左右完成,计划运行20至30年。

 

  “隐身人”中微子

  我们首先都会问的一个问题就是——中微子到底是什么?

  中微子,是构成物质世界的最基本的粒子之一。在构成物质世界的12个最基本的粒子当中,中微子占了其中的3个。我们的宇宙产生于137亿年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸时,在第一秒钟内产生了无数的中微子,它们携带了比光更早期的宇宙信息。在整个宇宙中,中微子的数量仅次于光子,是宇宙中数量最多的粒子之一。它不带电,质量非常轻,以接近光速运动,与其他基本粒子之间的相互作用十分微弱,被戏称为宇宙中的“隐身人”。

  中国科学院高能所研究员曹俊在题为《中微子研究的历史与未来》的论文里写道:我们身边的中微子其实非常多,例如一个典型的核反应堆每秒钟产生6万亿亿个中微子,每秒钟有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体,宇宙大爆炸的残余中微子更是在整个宇宙空间内多达330个每立方厘米。大多数核过程都会产生中微子,例如宇宙线轰击大气、岩石的天然放射性、超新星爆炸等等,连每个人都会因体内的钾40衰变而每天产生4亿个中微子。

  其实人类对于中微子的研究也不过才几十年。

  上世纪30年代,奥地利著名科学家沃尔夫冈·泡利提出存在中微子的假说,他还推断出中微子就像一个幽灵,能穿过整个地球而不和其他物质发生相互作用。做出这个推断之后,他写信给朋友说他犯了一个物理学家所能犯的最大错误:假设了一个不能用实验发现的粒子的存在。他还以一箱香槟酒作为赌注,担保没有人能观测到中微子。

  但到1956年,人类真正在实验中发现了中微子——美国物理学家莱因斯和科温在地下实验室,通过观察核反应堆,设法“看见”了第一个中微子。他们第一时间从美国给远在欧洲核子中心的泡利发了封电报。泡利中断了正在进行的会议,当众宣读了这封电报,然后跟朋友们喝掉了那箱香槟。弗雷德里克·莱因斯因此在1995年获得了诺贝尔奖。

  到了1962年,人类又发现了第二种中微子。随后,中微子研究不断发展成为粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉前沿学科。

  对于经常被问及中微子研究有什么用,王贻芳对《中国报道》记者说:“我相信对我们而言,周围的世界令人着迷,我们想知道它是由什么构成的,也想知道这个世界究竟是什么样。它会对生活有所帮助,也蕴含着哲学趣味。”

  美国费米实验室的科学家在2012年曾利用一个实验装置,成功地用中微子实现了通信。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质,这种通信不会受海水和地层的阻挡,也无法干扰、拦截和破解。也许有一天,它能真正变成实用的通信方式。还有人提出,可以用中微子来给地球做CT,或者探测石油……

  100多年前,原子核的衰变被发现时,也无人知晓这将意味着什么,今天核能的利用已经深刻地改变了世界。而中微子如今还只是存在于科学家的研究里,但随着研究的不断深入、更多谜团被揭晓,中微子也许将深刻地影响未来。

  从大亚湾起步

  我国的中微子实验研究起步很晚,但取得了举世瞩目的成绩。

  上世纪60年代,意大利物理学家布鲁诺·庞蒂科夫提出了中微子振荡的概念。他认为某一种特定中微子可以转化为别的中微子,人们所探测到的中微子可能只是处于某种形态的中微子的一部分。直到1998年,日本的超级神冈实验以确凿的证据证明庞蒂科夫理论的正确性,它以确凿的证据发现了大气中微子的振荡。

  中微子共有3种类型,它的脾性非常奇怪,“一种中微子在飞行中能自发变成其他种类的中微子。”这也就是专家们所说的“中微子振荡”——你可以想象有一群马在奔跑,一会儿变成一群牛,一会儿又变成一群羊,一会儿又变成一群马。而中微子的3种振荡模式,此前人类已经发现了两种(即太阳和大气中微子振荡现象),第三种振荡模式一直没有被发现。

  而寻找第三种振荡模式也正成为中微子研究的新热点。

  2001年,王贻芳接到中国科学院高能所的邀请回国了。在此前一年,他得知国家科教领导小组在2000年审议并原则通过了中国科学院提交的《我国高能物理和先进加速器发展目标》,确定了中国高能物理和先进加速器的发展战略。这意味着,中国的高能物理研究开始进入一个新的发展阶段。曹俊2003年从美国费米实验室回国,实际上,高能所的中微子项目从他以后主要以培养国内人才为主。曹俊接受媒体采访时说,“因为我们自己培养的学生也成才了,也很优秀”。

  据王贻芳回忆,2003年,国际上开始热烈讨论利用反应堆中微子来测量中微子第三种振荡模式的混合角,而且国际上已经有好几个团队打算进行同类实验。“我当时的第一反应是中微子研究将是一场竞争激烈的赛跑,最终看谁跑得快,精度高。”这就要求必须对实验、布局、检测器、技术等进行创新设计,实际上这也是实验中最具挑战性的部分。“我们想方设法地提出了一套真正的、创新的设计,并对这种振荡的探索进行了世上最精确的实验。”

  当时这个项目的投资高达1亿元。最终在科技部、基金委、中科院、广东省、深圳市和中广核等有关部门的支持下,用王贻芳的话说就是“有6个婆婆”,2006年终于解决了投资的问题。

  “我们将探测实验室设在大亚湾核电站,这是一个非常理想的选择。大亚湾核电基地有6台百万千瓦的核电机组,是世界上最大的核反应堆群之一,为实验提供了较为丰富的中微子源。此外,大亚湾核电基地紧邻高山,可以屏蔽宇宙射线的干扰。”当时国际上一共有8个类似的项目在起步,但到了2011年真正准备好投入探测的只有中国、法国和韩国的3个项目。

  大亚湾反应堆中微子实验于2007年开始建设,2011年底投入运行。这个实验合作组由全球6个国家和地区的近40家科研单位,约250名研究人员组成,是中美在基础研究领域规模最大的合作之一,是美国能源部在国外投资第二大的粒子物理实验项目。

  短短两个多月后,2012年3月8日,王贻芳宣布,中国大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振荡概率。当《中国报道》记者问王贻芳教授当时的感觉,他回忆说:“当然是非常兴奋和激动,老实说,这是我人生中第一个重大发现,所以当然非常非常兴奋。”

  这项当时就有300多人参与的大规模国际合作成果震惊了国际粒子物理界,被美国Science杂志评为当年十大科学突破。甚至有人说:“这是一个诺奖级别的发现。”著名华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者李政道也向高能所发来贺信称:“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就!”这也奠定中国在中微子研究领域的国际地位。

  而在大亚湾之后,中微子研究该如何继续?实际上,这个问题早就被想到了,“在大亚湾实验期间,我们意识到这应该只是一个短期的项目,因为它只测量出一个物理参数,且寿命非常有限。所以我们也在思考在我们研究所,未来的中微子物理学会是什么样。因此,我们提出了一个想法——我们可以继续试着在不同物理条件下探测反应堆中微子。”

  于是就有了从2008年就已经开始规划的江门中微子实验项目。大亚湾实验会运行到2020年,而不久之后,江门实验将开始收集数据。

  建设中的江门中微子实验站

  江门中微子实验站更确切地说是位于江门市下辖的开平镇金鸡镇上,从开平镇驱车40分钟才能到达这里。一进实验站的大门,最先吸引《中国报道》记者目光的就是一个巨大的洞口。这就是通往地下实验大厅的洞口了,洞口弥漫着水蒸气,看不到太远。从洞口进入,要坐缆车沿着一条1000多米长的斜井滑行,15分钟左右才能到达地下洞室里。地下高温高湿,一般人下井就会感觉很不适应。在这里长期下井工作的工人则开玩笑说,“下井就是蒸桑拿,最减肥”,他自来这里工作已经瘦了20斤,皮肤还挺好。

  资料显示,这个项目的建设分为地面建筑与地下实验大厅两大部分,包括位于地下700米的地下洞室、大型的水池、中微子探测器以及少量配套设施。

  此前据媒体报道,位于地面的装配大厅等建筑已建好,通往地下实验大厅1341米长的斜井和一口616米长的竖井也已全部打通,目前正在建设长56米、宽49米、高27米的实验厅及附属洞室。该实验的核心就是一个直径35米、重2万吨、由液体闪烁体和光电倍增管构成的中微子探测器。实验的首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序,这对人类了解物质世界的基本规律和宇宙的起源与演化具有重要意义。目前有来自17个国家和地区、77个机构的600多位科研人员共同参与该项目。

  而在世界范围内,除了江门中微子实验项目,还有日本“顶级神冈”和美国“深部地下中微子实验”(DUNE)设施也分别将于2027年和2026年“上岗”,这三大“剑客”将有望为我们揭开宇宙中最难以捉摸的幽灵粒子的“神秘面纱”。

  《中国报道》记者也在江门中微子实验站见到了当天凌晨才抵达的王贻芳教授,他现在几乎每个月都会来察看工程进度和参加各相关会议,行程安排非常满。王教授并不像很多人说的那样严肃,与工作伙伴们在一起也谈笑风生。他思维敏锐、说话简明扼要,这也许是长期科研所形成的习惯。

  江门中微子实验比大亚湾已经有了更大的目标,王贻芳介绍说:“以大亚湾为例,一个检测模块只有20吨的靶质量,但在江门,我们的靶质量是20000吨,比大亚湾的大1000倍。”

  但的确,“这个项目在很多方面都非常艰难”,除了在土木建筑方面,探测器本身的挑战也是前所未有的,比如组成探测器的是世界上最大的有机玻璃容器。其次,必须在探测器中填充2万吨液体闪烁体,这个液体闪烁体必须非常透明,否则光线将无法到达探测器。

  “过去,我们努力在大亚湾生产出了世界上最好的液体闪烁体,其透明性约为15米。现在我们必须在这个实验中将之再提高约1倍——达到25米,这也是一个巨大的挑战,几乎要达到理论极限了……”王贻芳面临着巨大的压力,但最具挑战性的是最后安装的那一刻。也许一切都会在实验投入运行的2021年好起来。

  本文刊发于《中国报道》2019年12月刊 《中国报道》记者 何晶 见习记者 陈珂