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大亚湾中微子实验都做了什么,记2016年度国家自

2019-08-02 09:29

(原载于《光明日报》 2017-01-10 07版)

探寻“幽灵粒子” 揭秘宇宙本源
记2016年度国家自然科学奖一等奖王贻芳团队

在解决了项目地点和经费困难后,2007年10月,大亚湾反应堆中微子实验开工。2011年8月15日,大亚湾中微子实验1号厅开始取数;2011年11月5日,2号厅开始取数;2011年12月24日,3号厅开始取数。至此大亚湾中微子实验正式运行。

中微子在飞行过程中,从一种类型转变成另一种类型的现象叫做中微子振荡,科学家用三个混合角来描述三种中微子相互转化时的振荡幅度,分别是θ12、θ23、θ13。

而当时选择在大亚湾核电基地建实验室,是因为大亚湾核电站功率高,是世界第二;同时大亚湾和岭澳两个机组附近均有山体,在山体下建实验室,可利用其岩石覆盖有效屏蔽宇宙线本底对实验结果的干扰。

而当时选择在大亚湾核电基地建实验室,是因为大亚湾核电站功率高,是世界第二;同时大亚湾和岭澳两个机组附近均有山体,在山体下建实验室,可利用其岩石覆盖有效屏蔽宇宙线本底对实验结果的干扰。

“这是国内最高的荣誉,也是对合作组成员极大的鼓舞。”王贻芳说。大亚湾实验合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾的38个研究机构、约270名研究人员组成。其中约150人来自境内单位的16个高校和研究所。

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因此,中微子第三种振荡的确认,引起了物理学界的兴奋。许多科学家认为,这是半个多世纪以来中国人最重要的实验物理学成果。日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示,中微子振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和电荷宇称破坏相角的奥秘”。

王贻芳及其团队因在大亚湾反应堆中微子实验中发现了中微子振荡的新模式而获得了2016年度的国家自然科学奖一等奖。

2011年底,中科院高能物理所研究员曹俊从科学网博客“蒸发”了3个月。直到2012年3月8日凌晨,一篇新博文出现了,上面写着:

技术难关被攻克以后,大规模生产又给大亚湾的科学工作者们出了一道难题。为了防止金属进入液闪中影响掺钆液闪稳定性,所有与液闪接触的部分都要使用有机玻璃和氟塑料,这就给加工、生产以及运输带来了很大的困难。

大亚湾反应堆中微子实验是一个多国合作的项目,共有来自世界各地38个科研单位的250多位科学家参与。但中国科学家毫无疑问起到了主导作用:实验地点在中国,大部分的实验方案是中国人设计的,探测器的掺钆液闪等关键技术掌握在中国人手里,最后对实验数据的物理分析也是中国人最先算出。

“2012年到2016年的4年间,我们的实验精度在不断提高,目前达到了4%,而2012年精度仅仅是20%,未来将会达到3%。”王贻芳透露道。

每每遇到这样的问题,这两位科学家总会显得有点“执拗”。“当时的成果,一方面回答了中微子第三种振荡是否存在,另一方面报告了这个振荡有多大。第一个问题已经完全解决,但是振荡的大小还需要不断提高测量精度。”曹俊说。

除此之外,大亚湾实验从高精度大型探测器加工到特殊材料,从化学化工到高速读出电子学,提升了我国在相关领域的技术水平,并培养出一批具有国际水准的青年科研人员,为我国基础物理研究的发展打下了坚实基础。

王贻芳及其团队因在大亚湾反应堆中微子实验中发现了中微子振荡的新模式而获得了2016年度的国家自然科学奖一等奖。

402com永利1站,中微子是一类神秘的基本粒子:它质量极其微小,是最轻的粒子;它数量十分庞大,每秒钟有上万亿个中微子自由穿过人体;它几乎不与任何物质发生作用的特点让它极难被捕捉;它会变身术,一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子,然后再变回来,这叫作中微子振荡,三种中微子之间可发生三种振荡。因它看不见,摸不着,却又无处不在的特点,它有了一个别称——“幽灵粒子”。

然而,1998年,科学家首次发现了大气中微子振荡,2002年又发现了太阳中微子振荡。

此外,大亚湾实验还创造性地在一个实验厅内放置多个相同的探测器,这是国际上唯一采用这种设计方法的中微子实验。多个全同探测器的测量便于比较,使实验误差又降低了“根号n倍”。

“当时我们的竞争压力主要来自两个方面,一个是项目组内部合作伙伴的竞争,一个是国际同行间的竞争。”回忆起当时的实验进程,王贻芳仍感慨不已,“要真正做到以我为主,靠的是实力。你只有做到最好,才能在国际合作中有更多的话语权。”

大亚湾反应堆中微子实验是一个多国合作的项目,共有来自世界各地38个科研单位的250多位科学家参与。但中国科学家毫无疑问起到了主导作用:实验地点在中国,大部分的实验方案是中国人设计的,探测器的掺钆液闪等关键技术掌握在中国人手里,最后对实验数据的物理分析也是中国人最先算出。

除了大亚湾中微子实验继续提高精度外,王贻芳正在主持的我国第二个大型中微子实验项目——江门中微子实验已经开建,预计在2020年进行取数工作。

高能所化学专家张智勇告诉曹俊可以将钆变成有机的钆络合物,从而提高其在有机液闪中的溶解度。通过多次实验,尝试了多种配体用来生成钆的络合物,最终发现,异壬酸与钆反应生成的络合物进入液闪后对液闪的透明度和光产额等没有明显影响,完全满足实验要求。

王贻芳表示,大亚湾实验极大地提升了我国在探测器设计和建造方面的国际声誉,将我国的中微子研究带入国际前沿。他总结取胜的原因主要有三条:实验精度比别人高、方案设计比别人优、过程没有犯错。

时间回到2012年3月8日14时15分,一个让中国物理学人激动的时刻。大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳宣布,科学家们发现了新的中微子振荡模式,且实验达到了前所未有的精度,测得第三种中微子振荡模式的振荡幅度为9.2%,误差为1.7%,无振荡的可能性只有千万分之一。

于是,全世界的粒子物理学者将目光聚焦于用反应堆中微子寻找第三种振荡的问题。

展望未来 国际领先

中微子是一类神秘的基本粒子:它质量极其微小,是最轻的粒子;它数量十分庞大,每秒钟有上万亿个中微子自由穿过人体;它几乎不与任何物质发生作用的特点让它极难被捕捉;它会变身术,一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子,然后再变回来,这叫作中微子振荡,三种中微子之间可发生三种振荡。因它看不见,摸不着,却又无处不在的特点,它有了一个别称——“幽灵粒子”。

因此,中微子第三种振荡的确认,引起了物理学界的兴奋。许多科学家认为,这是半个多世纪以来中国人最重要的实验物理学成果。日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示,中微子振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和电荷宇称破坏相角的奥秘”。

根据有关规定,科技成果需要实践检验3年后才能被推荐至国家科学技术奖。4年后的今天,该成果获得国家自然科学奖一等奖,这对于实验组成员来说同样是非常快的。

液体闪烁体是中微子实验使用的探测介质,钆是一种稀土元素,在液闪中掺钆可以放大关联信号,提高探测精度。但如何在液闪中掺钆并保持其稳定性是大亚湾实验的重中之重,也是难以突破的瓶颈。大亚湾中微子实验项目副经理曹俊告诉记者,把无机物钆掺到由有机物组成的液闪中,由于不相溶,钆便会析出,导致液闪无法有效地探测。“将化学技术与核物理相结合,这种跨界研发确实比较困难。”曹俊说。

科学家普遍认为,中微子包含了宇宙中反物质是如何消失的重大信息。80年来,中微子一直在挑战人类的认识能力。科学家发现三种振荡模式各有其对应混合角,其中前两个混合角的测定者都获得了诺贝尔物理学奖,第三种振荡混合角却迟迟未能找到,以至于有人怀疑它根本不存在。

“当时我们的竞争压力主要来自两个方面,一个是项目组内部合作伙伴的竞争,一个是国际同行间的竞争。”回忆起当时的实验进程,王贻芳仍感慨不已,“要真正做到以我为主,靠的是实力。你只有做到最好,才能在国际合作中有更多的话语权。”

就在王贻芳和他的团队构思反应堆中微子振荡实验时,国际同类实验亦如火如荼。

作为捕获中微子的核心物质,掺钆液闪一旦出现问题,整个实验都将功亏一篑。中美双方分别提供样品,由位于香港大学的第三方实验室开展光学性能和稳定性的测量。最终,高能所研制的掺钆液闪完美地通过了考核,其配方和工艺为大亚湾实验的顺利完成立下了汗马功劳。

时间回到2012年3月8日14时15分,一个让中国物理学人激动的时刻。大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳宣布,科学家们发现了新的中微子振荡模式,且实验达到了前所未有的精度,测得第三种中微子振荡模式的振荡幅度为9.2%,误差为1.7%,无振荡的可能性只有千万分之一。

科学家普遍认为,中微子包含了宇宙中反物质是如何消失的重大信息。80年来,中微子一直在挑战人类的认识能力。科学家发现三种振荡模式各有其对应混合角,其中前两个混合角的测定者都获得了诺贝尔物理学奖,第三种振荡混合角却迟迟未能找到,以至于有人怀疑它根本不存在。

直到有一天,他接到了一通来自高能物理所现任所长王贻芳的电话。很快,在王贻芳的领导下,一支四五人的团队开启了对大亚湾中微子实验的最初构想。

“如果要取得成功,所有的事情都得做对。”大亚湾实验拥有最大的反应堆功率、最合适的远点基线、最大的探测器质量以及最深的岩石覆盖。再加上科学家们力求卓越的设计理念、精益求精的研究态度,让实验在测量精度、灵活度以及可靠性上都达到了前所未有的高度,使得大亚湾实验成为“中国有史以来最重要的物理学成果”。

“2012年到2016年的4年间,我们的实验精度在不断提高,目前达到了4%,而2012年精度仅仅是20%,未来将会达到3%。”王贻芳透露道。

王贻芳表示,大亚湾实验极大地提升了我国在探测器设计和建造方面的国际声誉,将我国的中微子研究带入国际前沿。他总结取胜的原因主要有三条:实验精度比别人高、方案设计比别人优、过程没有犯错。

为了让大亚湾中微子实验的测量精度更高,也为了给江门中微子实验提供更多预先研究的机会,大亚湾中微子实验团队的科研人员也给自己提出了不少新挑战。“我们要打开装着探测器的大水池,对探测器进行更精确的标定,然后改造其中一个探测器,为江门中微子实验进行测试和预研究。”曹俊说。

对此,高能所的科学家们集思广益,为江门中微子实验出谋划策。首先,设计了目前世界上尺寸、规模最大的中微子探测器;其次,将用于接受光子的光电倍增管覆盖全部探测器,使其排布效率达到极限;最后,高能所的科学家们与多家研究院所、企业合作,经过多年努力,终于研发出一种新型的高量子效率光电倍增管,并将用于江门中微子实验。

2017年1月9日,人民大会堂主席台,聚光灯再次打到王贻芳身上,这位年轻的中科院高能物理研究所所长代表团队又领到了一个大奖——2016年度国家自然科学奖一等奖。去年,王贻芳获得了2016年基础物理学突破奖。此刻,他表示:“物理学的基础研究并没有直接的应用价值,却引领我们进一步理解世界、认识宇宙。”

相关专题:2016年度国家科学技术奖励大会

成果的论文发表后,国际著名科学杂志和媒体发表报道与评论上百篇。美国《科学》杂志将其评为2012年十大科学突破之一,并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子,那么中微子物理可能是粒子物理的未来,大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”

大亚湾实验的科学意义在于θ13值的确定,使科学界得以更深入了解中微子的基本特性,预示着中微子的全部奥秘有望在不远的将来被彻底解开。“基础研究的主要目的是为了认识世界,此次实验的成功标志着我们对自然界的发现又迈出了新的一步,这是我们对人类作出的贡献。”大亚湾中微子实验首席科学家、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳说。

2017年1月9日,人民大会堂主席台,聚光灯再次打到王贻芳身上,这位年轻的中科院高能物理研究所所长代表团队又领到了一个大奖——2016年度国家自然科学奖一等奖。去年,王贻芳获得了2016年基础物理学突破奖。此刻,他表示:“物理学的基础研究并没有直接的应用价值,却引领我们进一步理解世界、认识宇宙。”

“当时国际上共有7个国家提出8个方案,最终3个得以实施,大亚湾探测精度最高,数据获取效率位居国际同类装置第一。”王贻芳回忆,当时,韩国的RENO实验和法国的Double Chooz实验也都致力于寻找中微子的第三种振荡。

与此同时,美国布鲁克海文国家实验室也在攻克掺钆液闪稳定性的难题,并对高能所的配方心存疑虑。“这是完全可以理解的,我们彼此相互交换样品测试,都觉得有一定的可行性,但最终用谁的一直相持不下。”王贻芳说。

“这是自然界的一个基本参数,它的大小对几乎所有的中微子研究都有影响,我们希望这个项目运行到2020年,进一步提高精度,将实验装置的潜力充分发挥出来。”曹俊说,“另外,去年我们测得了最精确的反应堆中微子能谱,发现与理论预期存在两处偏差,这也是一个非常重要的成果,需要进一步研究。”

图① 大亚湾中微子实验的整体布局。图② 110吨重的中微子探测器正在吊装入10米深的水池中。图③ 中微子探测器成功安装在巨型水池之中。

“这样的发现表明中微子是具有微小质量的,这成为目前唯一超出粒子物理标准模型的新物理实验证据。”大亚湾中微子实验项目第一完成人王贻芳告诉《中国科学报》记者。

2003年前后,来自不同国家的科学家们共提出8个可能测出θ13的实验方案,其中就包括大亚湾反应堆中微子实验方案。如何在与美国、日本、欧洲等经验丰富团队的激烈竞争中脱颖而出?

因为这项成果,王贻芳及大亚湾实验合作组还与其他4个实验组分享了2016年度基础物理学突破奖。

江门中微子的实验原理与大亚湾实验相同,即用液闪探测器探测反应堆中微子,但难度大得多。一方面,为了测到足够多的中微子,探测器的有效质量需达2万吨;另一方面,为了保证测到的数据足够精确,在倍增能量精度的同时还要尽可能地提高光子转化成电子的效率。

国际竞争 唯“快”不破

“其次,我们的方案设计有优势、有创新。”王贻芳说,大亚湾实验采用远近相对测量方法,在反应堆附近和距反应堆2000米左右的地方各放一个探测器。如此一来,便能够部分抵消探测效率、靶的有效体积、靶核数目和能量测量等与探测器相关的误差,提高实验灵敏度。

“精度越高,能发现的内容就越多,或许就差那么一点点,我们就会错失认识世界的机会。”曹俊说。

大亚湾实验在测量θ13数值中拔得头筹,使得我国中微子物理研究向前迈出了坚实的一大步。但是,中微子世界还有许多未解之谜有待探索和解答。“目前中微子研究一个很重要的方向是测量其质量顺序,这也是江门中微子实验的首要科学目标。”王贻芳介绍说。

“江门中微子实验将致力于测量中微子的质量顺序,并进一步精确测量中微子混合参数,其土建工程规模约是大亚湾反应堆中微子实验项目的3至5倍。”王贻芳告诉记者。由于有了大亚湾中微子实验的铺垫,江门中微子实验的审批难度低了一些,但技术挑战却并未减少。

追求完美 抢占先机

2003年,留学美国从事中微子实验工作的曹俊想回国了。当时,国内只有中微子的理论研究,实验研究几乎为空白。如果回国,曹俊很可能面临“英雄无用武之地”。

下一代中微子实验还包括韩国的反应堆中微子实验、美国的加速器中微子实验以及其在南极的大气中微子实验、法国在地中海的大气中微子实验等。中微子世界的未解之谜正是我国粒子物理实现跨越式高速发展、达到国际领先水平的助推器。

“之所以这么快,是因为我们有很多工作是并行的,包括模拟分析、理解探测器、设备调试等。”曹俊说。

“幽灵”粒子 来去无踪

2012年2月,正式运行后的第二个月,科研人员发现了中微子的第三种振荡。3月8日,成果发布,比韩国RENO实验快了25天。

技术创新 攻克难关

从无到有 八年一剑

1998年的超级神冈实验和2001年SNO实验先后测出混合角θ12、θ23的大小,证实了中微子有质量,并因此获诺贝尔物理学奖。但第三种振荡混合角θ13却迟迟没有被发现,直到2012年大亚湾中微子实验首次公布了对θ13的精确测量结果。“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”诺贝尔物理学奖得主李政道如是评价大亚湾实验。

2016年11月,国内首条年产7500支的20英寸光电倍增管生产线建成运行,将为江门中微子实验提供可以更精确地将光信号转换为电信号的器件,至此,高能物理所牵头的产学研合作组用了4年时间,终于实现了该器件的国产化。

江门中微子实验于2013年立项,预计2020年运行取数,大约运行5年后可以给出中微子质量顺序的确切答案。该实验不仅能测量中微子质量顺序,还将精确测量中微子振荡的6个基本参数中的3个至优于1%精度的国际最高水平,以检测中微子混合的幺正性、寻找新物理,并可以在超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、暗物质寻找、质子衰变等方面作出贡献。“在完成首要科学目标以后,我们还计划对江门中微子实验做出进一步的升级改造,以研究中微子是否是自身的反粒子。”王贻芳说。

“大亚湾反应堆中微子实验将于2012年3月8日14:00在高能物理所召开新闻发布会,16:00举行特别报告会,报告实验的最新结果。” 那天,高能物理所发布的结果,正是2016年国家自然科学奖一等奖的研究成果——大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式。

实验所需的掺钆液闪分50个批次生产,整个过程中,现场人员层层把关、步步小心,通过合理的分工、密切的合作以及不辞劳苦地昼夜奋斗,终于在不到两个半月的时间内就完成了50个批次的全部生产工作,重复性非常好。时至今日,大亚湾实验已经运行数年,掺钆液闪依然很稳定,完全满足取数要求。

在2012年的头两个月里,科学家开始了紧锣密鼓地取数、分析工作。“在实验还没有正式运行前,1号厅就已经产生了很多数据,我们用这些数据‘看懂’了探测器,建立了分析方法。更早以前,从2010年开始,我们就用模拟软件产生假数据,反复练习,提前为正式的物理分析做准备。”曹俊说。

(原载于《经济日报》 2017-02-03 11版)

项目前景 精益求“精”

“取胜的第一点原因是,我们的实验设计精度比别人高。”王贻芳告诉记者,大亚湾实验的测量精度比过去的实验高出约一个数量级,在8个国际同类方案中精度是最高的。“我们要为世界提供一个最精确的振荡参数,要做就做到极致。”王贻芳说。

无论王贻芳还是曹俊,经常会被问到这样的问题:“项目刚开始运行两个多月就发现了第三种振荡,之后你们还干了些什么?”

在2016年度国家科学技术奖励大会上,大亚湾反应堆中微子实验凭借其对我国粒子物理的巨大贡献荣获国家自然科学奖一等奖。此次实验的成功填补了我国在中微子这个基础物理研究领域的空白,提升了我国物理学家的国际影响力。首次尝试中微子振荡研究就取得如此骄人的成绩,这在国际上都是十分罕见的。那么,什么是中微子振荡?这次实验又是如何成功的?且听《经济日报》记者向您娓娓道来。

从2012年至今,大亚湾中微子实验的精度从此前的20%提高到了4%。

在实验厅位置的选择上,设计者们也花费一番心思。为了解决远近点探测器放置位置、宇宙射线产生本底、山体覆盖厚度等问题,科学家们将1:5000的数字化地形测量图予以转换,得到山体轮廓,在平面图上以50米为一格,比较了3个实验大厅移动到不同位置时测量θ13的灵敏度,定量地计算出不同因素对测量结果的影响,从而确定大亚湾实验的总体布局。

长期以来,物质世界的基本组分及其相互作用是自然界最基本的科学问题之一,而粒子物理是对分子、原子、原子核研究的自然发展与深化。描述基本粒子及其相互作用的“标准模型”与所有实验数据均符合,取得了巨大的成功。

中微子常用符号ν表示,与带电轻子、夸克一同被称为构成物质世界最基本的粒子。人们叫它“闪电侠”——中微子质量非常轻(小于电子的百万分之一),以接近光速运动,具有极强的穿透力,可以轻松穿过地球直径那么厚的物质;人们叫它“独行侠”——中微子只参与非常微弱的弱相互作用,在亿万个中微子中只有个别会与物质发生反应,因此中微子的检测十分困难。它难以琢磨——中微子有大量谜团尚未解开,包括它的质量大小和起源、磁矩、CP破坏大小等等,却又无处不在——宇宙中充斥着大量的中微子,大约每立方厘米300个,大多数粒子物理和核物理过程中都伴随着中微子的产生,例如核裂变、核聚变、贝塔衰变等。

(原载于《中国科学报》 2017-01-10 第1版 要闻)

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