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中国有哪些研究方向曾经落后于世界,后来实现了大翻盘?

作者:矩阵良

那当然是我们中微子物理。

(以下内容是我之前写的一条长微博……我直接贴过来)

科研故事也可以很惊心动魄跌宕起伏的。阿佐 @葛桜 说了很多物理和科普,我没阿佐那么高的物理水平,作为一个八卦人士我只会讲故事,所以我就来讲讲故事。

不是 BEPC 和 CEPC 的故事——它们的周期比较长,很多故事行内人不太讲,不过也是高能故事,是隔壁做中微子的大亚湾中微子实验(Daya Bay,简称 DYB)的故事。

大亚湾的故事我个人觉得,是一个我国高能物理从一穷二白到世界领先的缩影,而且非常精彩刺激,可谓占尽了天时地利人和——所以你们为什么不宣传!拍电影啊!写小说啊!不会写笔给我行不行!!(恨铁不成钢拍桌.gif)

我可以毫不脸大地说,大亚湾之前,中国无中微子物理。

那还是刚迈过新世纪的时候,国内一个做过中微子物理的都没有,对,一个都没有。反观国际上呢?国际上最早的一个中微子实验就出在我们一衣带水的邻国日本,名字大家也许听过,就是神冈实验,神冈实验什么时候启动的?1986 年。而到了 1996 年,仅仅十年,神冈实验就更进一步升级成了超级神冈(SuperK),并且一战成名震撼天下——

他们发现中微子是有质量的。

这是个什么概念呢?这么说吧,在粒子物理领域我们有一个类似麦克斯韦方程组一样优美又经受住了层层考验的极漂亮的模型,叫做标准模型——你听听这名字,标准,就差拿它当物理学大厦封顶的那块金砖了。大家都记得大街小巷流传的 LHC 上发现希格斯玻色子的故事吧,希格斯玻色子,也是落在标准模型的框架内被好好地描述了的。

这么一个身经百战见的多了的理论,你猜它怎么预言中微子的?

——标准模型说,中微子是没有质量的。

晴天霹雳。

超出理论,就意味着一定有新物理,中微子物理瞬间成为了全世界竞相追逐的领域——谁不想在一片肯定有宝藏的新大陆上插上自己的旗帜呢?

中国当然也想,但咱们面临的是一个悲催的循环:没有人才,大型中微子实验搞不起来;实验搞不起来,永远都不会有自己的人才队伍。高能物理的每一个实验都是出了名的长周期,短的十几二十年,长的三五十年,等 SuperK 在世纪之交出了成果,意思就是,我们已经落后国际二十年了……甚至不止,毕竟我们就没有起步过,中微子物理历史有多长,我们落后就有多久。

中微子振荡被发现,确定中微子有质量后,下一步最重要的就是确定 的值。

大亚湾反应堆中微子实验就是这个时候被提出来的。

这里还有一段不为人知的往事:早在上个世纪,我们已经错过一次机会了,就因为穷。

这故事的主角是高能物理学家唐孝威,他在德国汉堡结识了日本物理学家小柴昌俊,两个人都对质子衰变有浓厚的兴趣,因此结下了友谊,在各自回国后仍然保持着通信。

寻找稀有的质子衰变需要有山体作为屏蔽宇宙射线的天然屏障,这种地理条件在日本比较难找,但中国山多啊!两个人希望推动中日进行国际合作。唐孝威找到了时任高能所所长张文裕,得到了张文裕所长的大力支持,但是当时高能所没有足够的经费来支持这个实验,于是向上级申请拨款。

之后,唐孝威带着他的学生(也可能是同事?)在西部和四川一带山脉广袤的地方选址,初步选定了几个地方,结果一回到北京,收到上级的回函,说不能支持,合作计划只得作罢。小柴后来在日本神冈找了一个废弃矿井,开始进行他的实验。

这是 1980 年左右的事情。

1987 年,小柴在神冈探测器完成人类史上首次来自外太空的中微子探测;1998 年,SuperK 发现中微子振荡,证实中微子有质量;2002 年,小柴昌俊获得诺贝尔物理学奖。

这一耽误,就是二十年。

大亚湾提出来的时候,国内高能物理界压力也是很大的,中微子这块真一穷二白从零开始,可想而知反对的声音也不会少,但我们已经错过二十年了,再错过一次就真的没有赶上的机会了。

现在其实有点难以想象当时大亚湾实验面临的国际竞争。

当时世界上前前后后至少提出了 8 种实验方案,中国、法国、美国、日本、俄罗斯都拿出了自己的方案,这些方案对我们要测量的参数的设计灵敏度基本在 0.01 到 0.03 左右。

从来没做过一个大型中微子实验的中国,拿出的大亚湾方案,设计精度是 0.008,是所有方案中精度最高的。

国际上没有人相信中国高能物理学界能做到这样的精度,我们自己人也有不少怀疑。幸运的是,这一次,我们可以让它成为现实了。

同期上马的与我们竞争的实验组还有两家:法国的 Double Chooz 实验,和韩国的 RENO 实验。法国在中微子实验上已经不是第一次。而同期运行的还有日本的 T2K 实验,虽然他们不是反应堆中微子实验而是加速器中微子实验,但无论是经验还是人才队伍上都远胜于我们。

这种条件下,大部分人都觉得大亚湾会是个花钱陪跑的项目吧……

同期运行,同期竞争,拼的就是速度和精度,谁更快拿出更好的结果,谁就能在这一领域宣布国际一流的地位。

实验物理有许多哪怕是同方向的理论物理学家也想象不到的、听上去不可能完成的任务。

提一件我有印象的事情,就是曹俊学长在博客里说:世界上没有“完全干净”的容器。

大亚湾实验,需要在一个超大的“罐子”里装上液体闪烁体,然后泡在纯水的环境里。有一点点工业常识的人都知道,“罐子”是会析出杂质污染水体的,这些析出虽然微乎其微,以至于在理论计算里我们几乎不会去考虑,但实验不可能不关注这个问题——任何一点杂质,都可能影响我们的测量结果,这就是精确测量的残酷与挑战。

我们的高能实验物理学家们,要挨个检测不同厂家的材料析出,然后把这些杂质对实验结果的影响也考虑进去,最后还要达到 0.008 的精度。

此外,大亚湾所用的光电倍增管(PMT)都是日本滨松的管子,在此之前,PMT 产业基本就是由日本滨松公司垄断的;到了后来的 JUNO,我们要求更高了,要的管子非常“超常规”,没办法,只好委托北方夜视自主研发,于是就有了神乎其技的 20 英寸的超大 PMT……曾经曹俊学长的微博头像就是他抱着那超大 PMT 的靓照哦(。

个中艰辛,大概只有参与其中的人们能知道吧……

这事儿除了拼实力,有的时候,也拼天时地利。为什么这么说呢?日本的 T2K,其实做得真的很好,是我们强有力的竞争对手,上得还比我们早,2010 年的时候,我们还没把探测器安装好呢他们已经开始取数了。可惜飞来横锅,2011 年 3 月,日本大地震,把他们加速器震坏了……

万般无奈之下,T2K 把之前的数据发表了出来。

不发不要紧,一发,大家通过这个数据很快意识到了一个事儿: 这个参数,可能比我们理论估计的要大得多。

这只是个迹象,谁都不敢说一定是,而在 2011 年这个时候,已经是各个实验组进行最后冲刺的最焦灼的阶段了,一天都耽误不起,耽误一天,另外两家随时可能率先取数进行测量,摘走首次测量的桂冠。

高能所做了一个很大胆、很有魄力、如果判断失误导致失败大概会被挂墙头挂到死(……)的决定:

有两个探测器,我们不下了。

本来计划中应该放下去的 8 个探测器,只放 6 个,立刻开始取数!

当然,这六个怎么放,近点放多少个远点放多少个,都可能会影响结果,就“怎么放”这一条,高能实验物理学家们在最短的时间内拿出了最好的方案:岭澳近点和远点各撤下一个。

据我一当年参加过 DYB 的师兄说,那个时候从上到下从老板到学生全都是连轴转,大老板都拼了命了你肯定也牟足了劲儿干啊!

2012 年 3 月 8 日,大亚湾中微子实验合作组宣布 ,相对系统误差仅为 0.2%,当时国际上还有人不相信这一结果。

仅仅三个星期后,韩国 RENO 实验组宣布了他们的结果:——我们大胆的决策,跑赢了。

越明年,Double Chooz 组拿出了结果:。

之后我们把那俩剩下的探测器也放下去了,并在 2015 年更长期的测量后拿出了结果:,,这一精度堪称奇迹。

经此一役,中国在国际中微子物理研究上站到了当之无愧的一流地位。培养出的人才队伍、搞出来的技术、积累下来的数据和经验,都将作为中国中微子实验的基石,在往后的实验——不管是 JUNO、是锦屏,还是未来的 MOMENT 之中,都将是一笔宝贵的财富。

来源:知乎日报

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