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    国家自然科学奖一等奖大亚湾中微子实验都做了什么?

    2017年1月9日 来源: 中国科学报

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    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:

    “大亚湾反应堆中微子实验将于2012年3月8日下午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。”

    上图显示了三个实验厅内的六个中微子探测器测量到的中微子数与预期中微子数的比值。横坐标是中微子的飞行距离。纵坐标为1的虚线表示没有振荡。曲线为中微子的振荡曲线的最佳拟合值。在近点实验厅EH1和EH2,振荡很小(这里的振荡主要来自较远的反应堆,比如从岭澳反应堆到大亚湾近点EH1的两个探测器距离超过1公里,已经有了一些振荡效应),在远点实验厅的3个探测器可以看到明显的振荡效应。分析表明θ

    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。

    从无到有 八年一剑

    2003年,留学美国从事中微子实验工作的曹俊想回国了。但当时,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,曹俊很可能变得“英雄无用武之地”。

    直到有一天,他接到了一通来自中科院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。

    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,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。

    然而,1998年,科学家们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。“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。

    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。

    在解决了项目地点和经费困难后,2007年10月,大亚湾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。

    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,建立好了分析方法。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。

    就在王贻芳和他的团队构思反应堆中微子振荡实验时,国际同类实验正如火如荼。

    “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。

    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。

    “之所以会这么快,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。

    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。”

    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。

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

    “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。

    无论是王贻芳还是曹俊,经常会被问到这样的问题:“项目刚开始运行2个多月就发现了第三种振荡,之后你们还干了些什么?”

    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。

    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%。

    “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。”

    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。

    “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。

    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。

    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。

    “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。

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