作者:吴月辉 来源:人民日报 发布时间:2016/5/9 10:15:52
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记中科院高能所王贻芳团队:做,就做不一样的实验

中微子探测器成功安装在巨型水池之中。
  中科院高能所供图

 

重大原创成果赢得的掌声是经久不息的:2012年3月8日,中国科学院高能物理研究所王贻芳团队参与的大亚湾中微子实验国际合作组发现的中微子振荡新模式,入选美国《科学》杂志评选的当年度十大科学突破,并且,3年后的2015年11月9日,大亚湾中微子项目首席科学家王贻芳还凭借这一成果获得“基础物理学突破奖”——这也是中国科学家在国际上首次获得这一殊荣。

这项重大物理成果在国际高能物理界引起热烈反响,被誉为“开启了未来中微子物理发展的大门”。业界同行指出,大亚湾实验测量到中微子混合参数θ13,将为今后中微子物理、天体物理、宇宙学等前沿科学研究提供精确的初值输入,对基本粒子物理的大统一理论、寻找与鉴别新物理,甚至揭开宇宙“反物质消失之谜”具有重要意义。

大亚湾中微子实验团队到底是如何摘得这一桂冠的?

眼光

在意识到测θ13数值的重要性之后,王贻芳认为中国绝不能错失这次机会,应该积极参与其中

大亚湾中微子实验团队取得成功,首先要归因于他们敏锐的眼光。

2003年冬天,当时还是中国科学院高能物理研究所一名普通研究员的王贻芳注意到,利用反应堆中微子来测θ13已成为国际热点,多个外国团队正打算进行同类实验,一场竞争激烈的赛跑正悄然展开。

中微子是构成物质世界的12种基本粒子之一。由于它几乎不跟任何物质发生作用,不容易被捕捉到,因此也成为人类迄今为止了解最少的一种基本粒子。

“然而,了解中微子却非常重要,对它的认识和研究将有助于揭开宇宙演变的诸多奥秘。”王贻芳说。

根据“大爆炸”理论,宇宙在诞生之时,物质与反物质应该是等量产生的。但在过去的近百年里,人类在可观测到的宇宙范围内,一直没有发现宇宙中有大量反物质存在的迹象。截至目前,科学家们认为,反物质已经消失了。那反物质到底去哪儿了?这是宇宙起源和演化中的一个重大谜团,而中微子振荡或许是解开这个谜团的钥匙。

“要解开这个谜团,中微子混合参数θ13数值的测量将是必须跨越的一步。中微子混合参数总共有6个,之前已经有3个半被测出了。只有对混合参数θ13完成测量之后,科学家才能进行下一步工作。”王贻芳说。

在意识到测θ13数值的重要性之后,王贻芳认为中国绝不能错失这次机会,应该积极参与其中。于是他和同事们首先设计出了一个实验方案,然后在许多人的帮助下开始多方奔走,呼吁国内也开展同类研究。

坚持

王贻芳不甘心这么好的项目因为没有经费而“流产”,决定带着实验团队,坚持去做一件他们本不擅长的事情——找经费

想法固然是好的,但真正实施起来却困难重重。首先要过的一个难关就是申请立项获得资金。

在大亚湾中微子实验项目之初,整个工程估算下来至少需要2.4亿元。尽管王贻芳的方案获得了科技部、中科院和基金委等单位的高度认可,但却没有单位能批出这么多钱来实际支持这个项目。

“根据我国当时的经费支持政策与惯例,国家自然科学基金委员会的项目一般最多为1000万元;科技部的‘973’项目,一般上限为4000万元。3亿元以上的项目可以去国家发改委申请大科学装置项目。这意味着,4000万元至3亿元之间的项目,没有部门可以受理。我们的大亚湾中微子实验项目正好处于这个‘真空地带’。”曹俊说。

曹俊回忆说,他和王贻芳当时决定拿出自己的人才基金,一个基金重点项目,再加上高能所特批的几十万元,来凑这笔经费。“但就算这样,也才只有几百万元,相比上亿元还是相差太远了!”

怎么办呢?王贻芳不甘心这么好的项目因为没有经费而“流产”,决定带着实验团队,坚持去做一件他们本不擅长的事情——找经费。

最终,在大家的坚持和努力下,国际合作解决了8000万元,然后由包括科技部、中科院在内的国内6家单位共同出资1.57亿元,这一项目终于在2006年5月得以正式立项。后来,团队内部常常自我调侃:“费了大劲才请来6个‘婆婆’”。

这种坚持不放弃的精神在实验的各个阶段都有体现。

大亚湾中微子实验项目是中国基础科学领域目前最大的国际合作项目。在合作初期,项目的主要合作方中国和美国就曾在实验方案上出现分歧。当时,王贻芳认为中方的方案在科学上更有优势,于是在一年多的时间内,与10余位具有国际影响力的美国高能物理学家据理力争,最终被大家接受。

“现在的科学研究,很难关起门来做。国际上各种技术的发展日新月异,不可能所有技术、所有新发现都是我们做出来的,我们只是很小的一部分,一起合作才能走在技术上的最前沿。”王贻芳说,“但在合作的过程中一定要把握好度。一方面,要吸引国际上的科技队伍来做这个事,得让别人有发言权,让别人觉得有主人的感觉;同时也要注意不能放弃主导权。”

创新

如果别人做了,我们再做就没有意义了。我们要有创新,要有自己的特点

大亚湾中微子实验基地位于广东大亚湾核电站旁,共有3个实验大厅,均位于山腹内,由水平隧道相连。每个实验厅内各有一套宇宙线探测系统。中微子探测系统共有8个模块,两个近点各放置两个,远点放置4个。此外还有两个功能厅,用于液体闪烁体的混制、贮存和灌装及水的净化处理。

“探测中微子的中心探测器是一个直径5米、高5米的圆桶,里面装有液体闪烁体,总重110吨。其核心部分是液体闪烁体和光电倍增管。中微子在探测器内发生反应后能够激发液体闪烁体,产生微弱的闪烁光。光电倍增管探测到闪烁光,将它转换成电信号,这样我们就探测到了中微子。”曹俊说。

曹俊说,现在的这个最终方案是团队在资金不多的情况下,发挥聪明才智设计出来的最佳方案,精度非常高,又有很多创新。

2003年前后,有7个国家提出了8个实验方案,最终进入建设阶段的共有3个:中国的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验。

面对竞争,王贻芳并不害怕,他有自己清醒的判断,他要另辟蹊径,做一个不一样的实验。“实验不是一天两天就能做的,需要琢磨,我们能不能做。还有就是别人有没有做过,如果别人做了,我们再做就没有意义了,我们要有创新,要有自己的特点”。所以他认为,必须根据自己现有的条件、技术、环境、资金等来选择一个项目,走到国际最前沿。

为了让实验测得更精准,王贻芳当时创造性地提出要放置8个一模一样的探测器。然而,要把探测器造得一模一样是非常困难的,何况还要造8个,这能行吗?这个方案一提出来,便受到许多人的质疑。

“两个探测器之间多少肯定是会有差别的,那差多少?我当时进行了模拟计算,估计可以做到两个探测器之间探测效率相差0.38%,但实验经验丰富的法国团队说他们只能做到0.6%,韩国团队说能做到0.5%。看来要让国际同行信服我们确实达到了这么高的精度是很困难的。因此,王贻芳提出每个实验点放2到4个探测器,同一个站点的探测器在同样的环境下直接比较。最终经过现场实验数据的比较,我们做出来的差别只有0.2%,比预估的还要小。”曹俊说。

最终,这个最初并不被十分看好的科研团队只用了55天时间,便测得了中微子混合参数θ13数值和一种新的中微子振荡模式,获得了这场赛跑的最后胜利。(原标题:中科院高能所王贻芳团队发现新的中微子振荡模式,在国际高能物理界引起热烈反响 做,就做不一样的实验(关注·他们为何能领跑③)

 

 
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2016/5/11 15:06:39 loujinshan
做,就要敢为人先!现在,谁能在研究电子、中微子、光子的相互关系方面做出贡献,谁就为中微子的技术应用打开了大门。中微子成为人类第三大技术粒子的前景是无比光辉灿烂的!
2016/5/9 21:28:59 qims
60 年代 后期 与70年代 早期 是 中国科学 的真正 高峰
址:http://blog.sciencenet.cn/blog-2649160-961356.html 此文
图3
Figure 3. Concentration of major medical achievements toward later 1960s and early 1907s coincided with some technological successes in China.
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