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中國這項科學實驗曾讓美國放棄支持自己的方案


科技日報科技日報科技日報社◎科技日報記者陸成寬運行了天小時分秒後,年月日,深圳大亞灣核反應堆群米外、藏在百米高花崗岩山體腹中的大亞灣中微子實...

- 2021年5月26日21時55分
- 科學文摘 / 科技日報

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◎科技日報記者 陸成寬

運行了3275天11小時43分0秒後,2020年12月12日,深圳大亞灣核反應堆群1600米外、藏在百米高花崗岩山體腹中的大亞灣中微子實驗裝置,被按下了停止鍵。中國科學院高能物理研究所所長、中國科學院院士王貽芳宣布:“實驗圓滿完成科學任務,正式退役!”

大亞灣中微子實驗的句號,並不是我國中微子研究的終點。250公裏外,新的“接棒者”——同在廣東的江門中微子實驗,正在如火如荼的建設中。江門中微子實驗裝置建成後,必將勇攀世界中微子研究高峰,續寫我國中微子研究的輝煌。

大亞灣中微子實驗裝置。中國科學院高能物理研究所供圖

尋找第三種振蕩模式,7國提出8個實驗方案

中微子是一種不帶電、質量極其微小的基本粒子,有人形象地將其比作基本粒子中的“隱士”。與誇克、帶電輕子等基本粒子相比,中微子性質獨特,它們幾乎不與任何物質發生相互作用,不容易被捕捉到。因此,中微子是人類迄今了解最少的一種基本粒子,存在著諸多未解的謎題。

“對中微子未知問題的研究,不僅將完善我們對物質世界最基本規律的認識,而且很有可能導致對現有粒子物理論體系——標准模型的突破,從而踏入新物理世界的大門。”中國科學院高能物理研究所副所長曹俊告訴科技日報記者。

21世紀初,中微子成為高能物理學的寵兒。中微子研究蓬勃發展,不僅成為粒子物理最重要的分支之一,而且還擴展到天文學、宇宙學、地球物理等多個學科,形成了“中微子科學”。同時,中微子的實驗研究也取得了許多重大發現, 包括發現三種中微子、發現來自天體的中微子、發現中微子振蕩等。

中微子有一個特殊的性質,那就是它們經常“變身”,從一種類型轉變成另一種類型,即中微子振蕩。

原則上,三種中微子之間相互“變身”,兩兩組合,應該有三種模式。其中兩種模式分別在上世紀60年代、80年代即有跡象,當時稱作“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”。1998年日本的超級神岡實驗正式發現了大氣中微子振蕩,隨後太陽中微子振蕩也被多個實驗證實。

“然而,第三種中微子‘變身’模式一直未被發現,甚至有理論預言其根本不存在。”曹俊說。

由於科學意義重大,2003年起,俄羅斯、法國、美國、日本、韓國等7國相繼提出8個相似的中微子實驗方案。中國科學院高能物理研究所的科研人員也在這一年提出設想,利用我國大亞灣核反應堆群產生的大量中微子,來尋找中微子的第三種振蕩模式。

穩妥推進裝置建設,創造安全爆破世界紀錄

那時,王貽芳和曹俊都覺得,中微子實驗研究蘊含著獲得重大物理發現的機遇。

“全世界的粒子物理學者都在尋找第三種振蕩模式,中國絕不能錯失這次機會,應該積極參與其中,提出自己的實驗方案,或許這個重大突破就是我們的。”曹俊微笑著說。

為了實現中微子研究夢,王貽芳和曹俊拿出了自己獲得的人才基金,加上中國科學院高能物理研究所特批的100萬元,開始了中微子實驗的選址勘測工作。

看到大亞灣核電站旁邊的排牙山後,這群物理學家難掩心中喜悅。“核電站反應堆群總功率很高,可以放出海量的中微子,供實驗測量;排牙山幾百米厚的山體可以隔絕宇宙射線的幹擾,這大概是全世界最好的實驗點。核電站旁邊有這樣一座小山,可以說,這是上天眷顧中國高能物理學界。”曹俊感慨道。

不久後,由中國科學院高能物理研究所提出的大亞灣中微子實驗方案,就因具有地理優勢、設計獨特,取得了國際上的關注。美國能源部還放棄了支持本國的兩個實驗方案,轉而支持美國科學家加入大亞灣中微子實驗。

然而,中微子實驗選址過程卻並非一帆風順。“我們找大亞灣核電站時,他們內部對於我們做實驗是有分歧的,協調過程並不容易。”曹俊說。

江門中微子實驗站建設場地全貌。中國科學院高能物理研究所供圖

分歧的焦點就是安全。

中微子實驗需要開山,但爆破引起的震動對反應堆來說是個極大的考驗。一旦出現超過標准的震動,所有反應堆都會自動停機,對整個電網的沖擊很大。為確保萬無一失,項目批准時定下的震動標准是國標的1/10,到了現場又“打了7折”。

施工方曾把大亞灣中微子實驗裝置的建設過程,比喻成“繡花”。以施工方的實力,一個月掘進150到200米不成問題,但在核電站旁邊施工,剛開始時,7到8天才能推進1米。

在這樣的“精雕細刻”下,該工程2259次爆破無一超標,創造了核島近距離安全爆破的世界紀錄。

果斷修改實驗計劃,爭分奪秒搶發成果

經過4年醞釀論證、3年施工和1年安裝實驗設施,2011年12月24日,大亞灣中微子實驗終於開始運行。此時,韓國的中微子實驗——RENO實驗已經進行了4個月。  

為了搶在競爭對手前獲得可靠的物理結果,我國項目組果斷調整實驗計劃,將實驗分為兩個階段,改變原先使用8個探測器的方案,以6個探測器提前積累數據。

功夫不負有心人。2012年3月8日,王貽芳宣布:大亞灣中微子實驗取得了重大突破——成功發現中微子的第三種振蕩模式,並測量到其振蕩幾率。

消息發出後,世界著名物理學家李政道當即發來賀信,稱這一結果是“物理學上具有重要基礎意義的重大成就”。世界各大粒子物理實驗室也紛紛盛贊大亞灣實驗取得的成果。該成果入選《科學》雜志評選的“2012年度十大科學突破”,並被國外同行譽為“中國有史以來最重要的物理學成果”。

“這一成果確實是我們‘搶’出來的,如果不是各方面夜以繼日地工作,我們不可能率先發布。”曹俊說。

回憶起當時的情景,曹俊至今記憶猶新。在2012年的頭兩個月裏,科學家開始了緊鑼密鼓的數據獲取、分析工作。“在實驗還沒有正式運行前,1號實驗廳就已經產生了很多數據,我們用這些數據‘看懂’了探測器,建立好了數據分析方法。更早以前,從2010年開始,我們就用模擬軟件產生假數據,進行反複練習,為日後正式的物理分析做准備。”曹俊說。

為了趕時間,很多工作都是同時進行的,包括設備安裝和調試、模擬分析等。

那時,為了盡快把成果發布出來,曹俊還制訂了一個計劃。“為使工作能被高效推進,我們預先把所有節點時間都計算好,比如何時把文章投給雜志、何時給雜志回信、何時文章會被交至電子預印本文庫等,從而使全世界的同行都能看到我們具體的實驗細節。算好這些以後,我們才准備開成果發布會。”曹俊說,正是有了這個基礎,大亞灣中微子實驗的成果發布才比韓國RENO實驗快了25天。

“接棒者”明年建成,瞄准中微子質量順序測量

2020年12月12日,大亞灣中微子實驗裝置正式退役。

談到大亞灣中微子實驗的退役,王貽芳解釋說,大亞灣中微子實驗已經運行了9年,當時的科學目標已經實現,中微子振蕩振幅的測量精度已經不可能再有顯著提高,設備繼續運行的科學價值變小,只是浪費金錢和時間。

大亞灣實驗停止運行,並不意味著我國中微子研究隨之停止,一個更為先進、規模更大的江門中微子實驗正在建設當中。

研究人員正在建造一個全世界最大的液體閃爍體探測器來繼續捕捉中微子。這個探測器的主體是一個有12層樓高的有機玻璃球,裏面裝有2萬噸液體閃爍體。這是迄今為止中國最複雜的高能物理實驗裝置,預計將在2022年建成。

“江門中微子實驗裝置的地下隧道建設工程已經基本完成,設備安裝准備工作基本就緒,關鍵部件將於今年下半年開始安裝,明年才能全部裝完。”王貽芳透露。

那麼,大亞灣中微子實驗和江門中微子實驗有什麼不同?王貽芳解釋道,兩個實驗雖然都是研究中微子,但具體科學目標完全不同。大亞灣中微子實驗的科學目標是利用核反應堆產生的中微子來測定中微子第三種振蕩模式,而江門中微子實驗是要實現對中微子質量順序和中微子振蕩參數的精確測量。

“中微子的質量是自然界的基本參數,影響宇宙的演化進程。知道了質量順序,可以為確定中微子質量和其他研究鋪路。”王貽芳說。

此外,發現超新星遺跡中微子也是江門中微子實驗的一個重要目標。理論模型預言,宇宙中彌漫著大量的由於超新星爆發而產生的中微子。“經過估算,我們覺得江門中微子實驗有可能率先發現超新星遺跡中微子。同時,我們也希望在江門中微子實驗的科學生命周期之內,等到一次超新星爆發,這樣我們就能捕捉到上千個超新星中微子。”王貽芳說。

親曆者說

曹俊:為做閃爍體容器,我們翻遍了全國玻璃罐廠家

陸成寬

受訪者供圖

當提出要建設某個實驗設施的時候,一位優秀的實驗物理學家必須要問自己幾個問題:哪些技術已經滿足了實驗技術?哪些需要自己研發?

“一個好的實驗設施不能全部使用已有的技術,必須要發展自己的關鍵技術。基礎研究只有第一,沒有第二。只有擁有了過硬的實驗技術,才可能做出比別人更好的實驗成果。做大亞灣中微子實驗方案的時候,我們就提出一定要發展有機玻璃罐、液體閃爍體以及光電倍增管等關鍵技術。”中國科學院高能物理研究所副所長曹俊說。

在中微子探測器中,液體閃爍體主要用來捕獲中微子並發光,光電倍增管用來探測光,而有機玻璃罐是液體閃爍體的容器,用它把液體閃爍體和外部的天然放射性物質隔開。

為了提高測量精度,大亞灣中微子實驗團隊創造性地提出使用8個完全相同的中微子探測器,采用遠近比較測量的方法,降低實驗誤差,提高實驗靈敏度。“為了設計出幾乎一模一樣的探測器,我們對有機玻璃罐提出了近乎苛刻的精度要求,要求誤差要控制在5毫米以內。”曹俊說。

用有機玻璃做成的容器,我們在海洋館裏隨處可見,透過它們可以看到遊來遊去的海洋生物,但這種有機玻璃容器對精度的要求不高。不過,若把制作精度提到如此之高,將會大大增加有機玻璃罐的制作難度,熱彎成形、本體聚合等加工過程都會造成罐體的變形。

“2007年,我們把全國做有機玻璃產品的廠家都翻了一遍,找到了七八家產品做得比較好、研發能力比較強的廠家,但是它們都不敢為我們生產精度要求這麼高的有機玻璃罐。”曹俊說,它們平時為海洋館生產的類似產品,精度要求沒這麼高。

那時候,國內廠家幾乎都沒有數控加工能力,因此他們都無法生產如此高精度的產品。大亞灣中微子實驗最終並沒有使用國內廠家生產的有機玻璃罐,而是由國外的合作者加工再運到大亞灣。

等到建設江門中微子實驗裝置時候,為了盡可能多地捕獲從核電站飛來的中微子,科學家計劃制造直徑為35.4米的空心有機玻璃球。造體積如此大球,且要使其扛住內外液體巨大的壓力差,這樣的制造難度可謂史無前例。

“大亞灣時的經曆,讓我心裏都有陰影了,我覺得這麼大的有機玻璃球我們肯定做不出來。”曹俊坦言,直徑為35.4米的有機玻璃球,全球都沒人做過,當時世界上最大的用於粒子物理的有機玻璃球直徑才12米,而且生產過程中多次出問題,前後花了兩年時間,差點失敗。

“抱著試試看的想法,2013年我們又對國內的有機玻璃生產廠家做了一番調研。令人震驚的是,6年間,國內有機玻璃產業上了一個檔次,我們發現竟然好幾個廠家都具備了數控加工能力,有可能做出這麼大的有機玻璃球。”曹俊笑著說,我們從中選擇了3個廠商進行了為期3年的合作研發。  

最終,通過招標,中國科學院高能物理研究所與江蘇湯臣新材料科技有限公司達成了合作協議。

未來,在地下洞室裏現場組裝的國產有機玻璃球將被放置在一個直徑40多米、容積5萬立方米的水池裏,幫助科研人員捕捉從核電站飛來的中微子。

編輯:黃磊

審核:王小龍


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