绽放在大亚湾地下100米的中国粒子物理之花

2011-10-28 10:34 来源: 中国科学院
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  2011年10月,前后历时8年的大亚湾中微子实验项目初步建成,开始了它寻找神秘中微子的科学探索。

  正是因为一群离核反应堆360米、在100米地下工作了8年的科学家的努力,一个让世界等待了8年的答案即将被揭开。

  “这个项目已经让世界等待了8年”

  对普通公众而言,只在《2012》这样的科幻电影里听说过充当“灾难制造者”的中微子。“事实上,如果没有中微子,太阳不会发光,不会有比氢更复杂的原子,因此也不会有地球、人类。”大亚湾反应堆中微子实验项目工程副经理、中科院高能物理研究所研究员曹俊说,中微子不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用,而且与宇宙的起源和演化有关,例如宇宙中反物质消失很可能由中微子造成。

  因此,在当代物理学研究中,中微子是当之无愧的热点和焦点之一,从1988年开始,先后有6位科学家因为中微子研究而获得诺贝尔奖,对中微子研究每一次进展都完善乃至颠覆了人类对世界的认知。

  但中微子质量非常微小,几乎不与物质发生相互作用,极难被探测,同时还能通过振荡相互转化。中科院高能物理研究所所长、大亚湾反应堆中微子实验项目工程负责人王贻芳表示,他们要做的就是揭开中微子最后一个未被破解的振荡模式。“其数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向,很多中微子研究项目都需要等待这一结果才能继续进行。”王贻芳说。

  中国,广东,深圳,大亚湾,是最好的完成地点。

  王贻芳表示,为了验证中微子最后一种振荡模式,国际上曾先后提出了8个实验方案,而我国科学家提出的大亚湾实验方案因为独特的地理优势和设计,得到了国际科学界广泛支持。甚至,美国能源部放弃了支持本国的两个实验方案,转而支持美国科学家加入大亚湾实验的合作,向这一项目提供了价值8000万元人民币的设备支持。这是美国能源部在海外投资力度第二大的项目,仅次于欧洲核子中心。

  2011年8月15日,在广东大亚湾核电站内地下100米深、距反应堆仅360米的实验大厅内,两个中微子探测器已经探测到来自核电站反应堆群的中微子。这标志着大亚湾国际合作组对中微子第三种振荡模式的测量迈出了第一步。为了这一步,200多位科学工作者付出了8年。

  出差住农民房的科学家

  大亚湾项目经理李小男介绍,这个项目是中美共同领导的国际合作项目。中方由科技部、中国科学院、自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团共同支持,投资1.6亿元,在我国开创了国家、地方与企业共同支持基础科学研究的先河;美方则投资了相当于8000万元人民币的设备。“相对于难度巨大、要求极高的工程,这些钱真不多,不省着花还有点捉襟见肘。”李小男说。

  项目总工艺师白景芝回忆,项目刚开始时什么都没有。“没办公室,我们就坐在马路边上用膝盖当桌子在笔记本记录。最难熬的是周末大亚湾核电站放假,办公楼一锁我们解手都没地方。”

  为了省钱,8年来,100多位曾在这里工作的科学家出差不住宾馆,而住在离项目地点10公里外的农民房里。“外面看着很好,和别墅一样,但里面经常四楼停水一楼天花板滴水,空调也经常罢工,就是一点好,便宜。”参与项目的中科院高能物理研究所研究员王铮说。

  因为住得远,科学家们为了方便总是统一行动:7点吃饭,7点20准时出发去工地,这被科学家们称为“半军事化管理”。

  “只能说是半军事化,因为军队要吹熄灯号统一睡觉,我们晚上多数因为要收发邮件和国内外同行进行项目交流,睡觉时间并不统一,晚的到凌晨两三点。”李小男解释。

  因为项目建设在地下100米,最近处离核反应堆只有360米,土建隧道的施工难度极大,安全要求很严苛。所有的炸药填放均经过精确计算,确保不影响核电站的正常运行。最后完工时结算,在地下100米深处完成总长3000米的高标准隧道建设,总造价只有9000万元。“这么低,说出去都没人敢相信。”李小男表示。

  在记者旁听这一项目验收时,验收组成员、中科院院士、著名核物理专家王乃彦感慨:经费这么紧张,真不容易。

  王贻芳表示,这是个由科学家自下而上推动的基础研究项目,很多人是因为热情而加入,“这个项目寄托了他们的理想”。

  2003年,曹俊和李小男在世界最知名的物理研究机构之一——美国费米实验室工作。曹俊说,当时接到王贻芳邀请他回国的电话,连美国的房子和车子都没卖就回来了。“一直想回来,但国内过去因为基础科学研究相对落后,找不到能参与的项目,大亚湾项目对我来说是很好的机遇。”

  随后,帮曹俊卖掉在美国的房子和车子后,他的同事李小男也回国来到了这个项目,两人一干8年。和他们一样的核心团队成员就有30多人,而8年间先后在这里工作过的科研人员有200多人。

  让世界听到粒子物理的“中国声音”

  基础科学是现代社会科学发展的根基。长期以来,主导基础物理研究的是西方发达国家,而我国由于经费投入不足、研究基础薄弱等客观原因,一直与世界先进水平存在不小差距。

  但更为重要的差距体现在认识层面。王贻芳为此专门撰文:经常听到这样的问题,你这个基础研究有什么用?如果回答没有,下一个问题就是:能得诺贝尔奖吗?如果回答还是否定的,下一个问题就是:既没有实际用途,又不能得诺贝尔奖,这个基础研究有什么用?

  “这种急功近利的思想实际上普遍存在于各级领导、平民百姓、知识分子、科研管理人员甚至一些科学家的心里,虽然有时候他们不一定说出来。”王贻芳说。

  事实上,基础研究的滞后一定程度能够解答为何我国难以出现重大科研成果,也佐证了“钱学森之问”。而大亚湾中微子项目的出现,对于中国粒子物理乃至基础科学来说都是一个明显的积极信号。

  大亚湾项目是中国第一个“真正意义”上的国际合作基础科学研究项目,而且是由中国和美国共同领导:2006年起成立的大亚湾国际合作组由来自6个国家和地区的39个研究机构、250名研究人员组成。其中,美方参与的阵容堪称“豪华”。布鲁克海文、费米两个国家实验室,加州理工、普林斯顿、伯克利等名校,中方则聚集了中科院、清华等10多所国内一流科研机构。

  李小男表示,高能物理的国际合作其实内部有非常激烈的竞争,“简单说合作也要靠实力,没实力就变成光掏钱没有话语权”。

  项目的主要装置中微子探测器中最核心的技术是液闪,需要把无机物钆均匀溶入有机物液体闪烁体中,其透明度也决定了实验的成功与否。而众所周知,无机物难溶于有机物。此前法国的一项同类研究中,正是因为其探测器中灌注的液闪在运行100天后变为浑浊,从而被迫终止。

  当时,项目组内中美等国提出了多个方案,然而,在第三方评议中,由中科院高能物理研究所研制出的液闪配方性能更佳、稳定性更好,最终成为探测器的选择。这只是大亚湾项目取得诸多创新成果的其中一个。

  “粒子物理其实是很小的圈子,你干什么全世界都知道。”曹俊说,当大亚湾项目开始并取得良好进展后,中国收到的粒子物理国际学术会议的大会报告邀请显著增加,“甚至明显感到国际同行对我们的重视态度完全不一样了”。