2011年底，中科院高能物理所研究員曹俊從科學(xué)網(wǎng)博客“蒸發(fā)”了3個月。直到2012年3月8日凌晨，一篇新博文出現(xiàn)了，上面寫著：
“大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗將于2012年3月8日下午14:00在高能物理所召開新聞發(fā)布會，16:00舉行特別報告會，報告實驗的最新結(jié)果?！?/p>
那天，高能物理所發(fā)布的結(jié)果，正是2016年國家自然科學(xué)獎一等獎的研究成果——大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩新模式。
從無到有 八年一劍
2003年，留學(xué)美國從事中微子實驗工作的曹俊想回國了。但當(dāng)時，國內(nèi)只有中微子的理論研究，實驗研究幾乎為空白。如果回國，曹俊很可能變得“英雄無用武之地”。
直到有一天，他接到了一通來自中科院高能物理所現(xiàn)任所長王貽芳的電話。很快，在王貽芳的領(lǐng)導(dǎo)下，一支4、5人的團(tuán)隊開啟了對大亞灣中微子實驗的最初構(gòu)想。
長期以來，物質(zhì)世界的基本組分及其相互作用是自然界最基本的科學(xué)問題之一，粒子物理是對分子、原子、原子核研究的自然發(fā)展與深化。描述基本粒子及其相互作用的“標(biāo)準(zhǔn)模型”與所有實驗數(shù)據(jù)均符合，取得了巨大的成功。
然而，1998年，科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩，2002年又發(fā)現(xiàn)了太陽中微子振蕩。“這樣的發(fā)現(xiàn)表明中微子是具有微小質(zhì)量的，這成為目前唯一超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理實驗證據(jù)?！贝髞啚持形⒆訉嶒烅椖康谝煌瓿扇送踬O芳告訴《中國科學(xué)報》記者。
于是，全世界的粒子物理學(xué)者將目光聚焦于用反應(yīng)堆中微子尋找第三種振蕩的問題。
在解決了項目地點和經(jīng)費困難后，2007年10月，大亞灣大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗開工。2011年8月15日，大亞灣中微子實驗1號廳開始取數(shù)；2011年11月5日，2號廳開始取數(shù)；2011年12月24日，3號廳開始取數(shù)，至此大亞灣中微子實驗正式運行。
在2012年的頭兩個月里，科學(xué)家開始了緊鑼密鼓地取數(shù)、分析工作?！霸趯嶒炦€沒有正式運行前，1號廳就已經(jīng)產(chǎn)生了很多數(shù)據(jù)，我們用這些數(shù)據(jù)‘看懂’了探測器，建立好了分析方法。更早以前，從2010年開始，我們就用模擬軟件產(chǎn)生假數(shù)據(jù)，反復(fù)練習(xí)，提前為正式的物理分析做準(zhǔn)備。”曹俊說。
國際競爭 唯“快”不破
就在王貽芳和他的團(tuán)隊構(gòu)思反應(yīng)堆中微子振蕩實驗時，國際同類實驗正如火如荼。
“當(dāng)時國際上共有7個國家提出8個方案，最終3個得以實施，大亞灣探測精度最高，數(shù)據(jù)獲取效率位居國際同類裝置第一。”王貽芳回憶，當(dāng)時，韓國的RENO實驗和法國的Double Chooz實驗也都致力于尋找中微子的第三種振蕩。
2012年2月，正式運行后的第二個月，科研人員發(fā)現(xiàn)了中微子的第三種振蕩。3月8日，成果發(fā)布，比韓國RENO實驗快了25天。
“之所以會這么快，是因為我們有很多工作是并行的，包括模擬分析、理解探測器、設(shè)備調(diào)試等?！辈芸≌f。
成果的論文發(fā)表后，國際著名科學(xué)雜志和媒體發(fā)表報道與評論上百篇。美國《科學(xué)》雜志將其評為2012年十大科學(xué)突破之一，并稱“如果大型強子對撞機的研究人員沒有發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，那么中微子物理可能是粒子物理的未來，大亞灣的實驗結(jié)果可能就是標(biāo)志著這一領(lǐng)域起飛的時刻?！?/p>
因為這項成果，王貽芳及大亞灣實驗合作組還與其他4個實驗組，分享了2016年度基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎。
根據(jù)有關(guān)的規(guī)定，科技成果需要實踐檢驗3年后才能被推薦國家科學(xué)技術(shù)獎。4年后的今天，該成果獲得國家自然科學(xué)獎一等獎，這對于實驗組成員來說，同樣是非?！翱臁钡摹?/p>
“這是國內(nèi)最高的榮譽，也是對合作組成員極大的鼓舞?！蓖踬O芳說。大亞灣實驗合作組由來自中國、美國、俄羅斯、捷克、中國香港和中國臺灣的38個研究機構(gòu)、約270名研究人員組成。其中約150人來自境內(nèi)單位的16個高校和研究所。
項目前景 精益求“精”
無論是王貽芳還是曹俊，經(jīng)常會被問到這樣的問題：“項目剛開始運行2個多月就發(fā)現(xiàn)了第三種振蕩，之后你們還干了些什么？”
每每遇到這樣的問題，這兩位科學(xué)家總會顯得有點“執(zhí)拗”?！爱?dāng)時的成果，一方面回答了中微子第三種振蕩是否存在，另一方面報告了這個振蕩有多大。第一個問題已經(jīng)完全解決，但是振蕩的大小還需要不斷提高測量精度。”曹俊說。
從2012年至今，大亞灣中微子實驗的精度從此前的20%提高到了4%。
“這是自然界的一個基本參數(shù)，它的大小對幾乎所有的中微子研究都有影響，我們希望這個項目運行到2020年，進(jìn)一步提高精度，將實驗裝置的潛力充分發(fā)揮出來。”曹俊說，“另外，去年我們測得了最精確的反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)期存在兩處偏差，這也是一個非常重要的成果，需要進(jìn)一步研究。”
除了大亞灣中微子實驗繼續(xù)提高精度外，王貽芳正在主持的我國第二個大型中微子實驗項目——江門中微子實驗已經(jīng)開建，預(yù)計在2020年進(jìn)行取數(shù)工作。
“江門中微子實驗將致力于測量中微子的質(zhì)量順序，并進(jìn)一步精確測量中微子混合參數(shù)，其土建工程規(guī)模約是大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗項目的3至5倍?！?王貽芳告訴記者。由于有了大亞灣中微子實驗的鋪墊，江門中微子實驗的審批難度低了一些，但技術(shù)挑戰(zhàn)卻并未減少。
2016年11月，國內(nèi)首條年產(chǎn)7500支的20英寸光電倍增管生產(chǎn)線建成運行，將為江門中微子實驗提供可以更精確地將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，至此，高能物理所牽頭的產(chǎn)學(xué)研合作組用了4年時間，終于實現(xiàn)了該器件的國產(chǎn)化。
為了讓大亞灣中微子實驗的測量精度更高，也為了給江門中微子實驗提供更多預(yù)先研究的機會，大亞灣中微子實驗團(tuán)隊的科研人員也給自己提出了不少新挑戰(zhàn)。“我們要打開裝著探測器的大水池，對探測器進(jìn)行更精確的標(biāo)定，然后改造其中一個探測器，為江門中微子實驗進(jìn)行測試和預(yù)研究?！辈芸≌f。
“精度越高，能發(fā)現(xiàn)的內(nèi)容就越多，或許就差那么一點點，我們就會錯失認(rèn)識世界的機會?！辈芸≌f。
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