大亚湾近点实验厅
可以说,中微子是世界上最幸运的粒子。10月6日,当瑞典皇家科学院将2015年诺贝尔物理学奖授予日本科学家梶田隆章和加拿大科学家阿瑟˙麦克唐纳时,这已经是诺奖第四次垂青它。
2012年,大亚湾中微子试验室取得的重要成果,补齐了中微子振荡证据链上的最后一个环节,从而将梶田隆章和阿瑟˙麦克唐纳送上了2015年诺贝尔物理学的奖台。
事实上,这颗屡次荣获诺奖的小小粒子,与中国有着其很深渊源。早在上世纪四十年代,王淦昌着手研究中微子的探测问题,提出了测量中微子的质量与能量的实验方法。这被认为中国物理学界离诺奖最近的一次。而目前,在探索中微子的领域中,中国已站在了国际最前沿。
中国在粒子探索领域不缺位
美国哈佛大学教授亚历山大˙索萨曾说,中微子为人类窥探宇宙最为根本的问题打开了一扇窗。1930年,奥地利物理学家泡利首次提出了中微子概念。中微子的提出,为人类进一步探索宇宙奥秘,将微观世界与宇观世界联系起来发挥了重要作用。此后,世界各国的物理学家们开始了对包括中微子在内的粒子物理领域更深的探索。
这其中不乏中国人的身影。近代物理学先驱吴有训、叶企孙在大学开设近代物理教程,培养和训练学生的实验物理研究本领与技能,开启了中国人在粒子物理领域的探寻。如日后享誉世界的物理学家李政道、杨振宁、王淦昌等都是在那时成长起来的。
新中国成立后,中国对粒子物理研究更加重视。1973年2月,周恩来总理指示在原子能研究所一部的基础上组建高能所。不负众望,自开创以来,高能所有力地推动了中国粒子物理实验等诸多研究和发展,培养了一批优秀科学家,取得了一批高水平研究成果,研发了许多高技术产品,为国家科技事业发展做出了重要贡献,其中产生重大影响的成果就有关于中微子的——上世纪80年代,中国原子能科学研究院进行了中微子静止质量的测量,证明了电子反中微子的静止质量在30eV以下。
进入新世纪后,中国参与中微子研究的阵容更加庞大,实力更加雄厚,国际认可度更高。中科院高能物理研究所、清华大学、中国原子能科学研究院、中国科院上海应用物理研究所、中山大学等多家科研单位在中微子研究中都取得了非常重要的成果。
在实验设施方面,中国可谓独具天资。位于中国深圳的大亚湾具有得天独厚的地理条件,被认为是世界上进行这一测量的最佳地点。美国能源部放弃自己的两个方案,转而加入了中国大亚湾实验,这是美国高能物理在海外的第二大投资。
由此可见,在粒子领域的探索中,中国人从来不缺位。几十年来,我国广大科技工作者苦心钻研,持续推动我国在该领域研究,从无到有、从小到大,实现了一次又一次跨越。
中国研究成果将两位科学家送上诺奖奖台
当得知梶田隆章、阿瑟˙麦克唐纳获得诺奖,清华大学近代物理研究所副所长、大亚湾反应堆中微子实验项目负责人陈少敏情不自禁向家人报喜:“我的两位同事获得诺贝尔奖了,我太高兴了!”
陈少敏说:“大亚湾反应堆中微子实验,在2012年对非零中微子混合角θ13的观测结果,将三代中微子的三种振荡格局最终正式建立起来,把中微子振荡证据链上的最后一个环节补齐了,从而把梶田隆章和阿瑟˙麦克唐纳送上了2015年诺贝尔物理学奖的奖台。”
非零中微子混合角θ13这个难以捉摸的参数首次被精确测量,极大地振奋了国际高能物理界,更为当时正处在“岔路口”的中微子研究找到了未来发展的方向。多个国际顶尖机构纷纷发来贺电。诺贝尔物理奖得主李政道称:“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”美国Arogonne国家实验室物理部主任HarryWeetrs教授表示:“现在,我们终于可以更精确的部署未来的中微子研究计划了。”日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示:“中微子震荡实验带来的光明前景令人激动不已,或许在我们有生之年就可以揭开物质层次的奥秘。”
同年,这一结果还被《科学》杂志评为当年十大科学突破。其评语写道:“这些结果显示,中微子和反中微子可能会以不同的方式改变其特色,并提示中微子物理可能有朝一日帮助研究人员解释为什么宇宙含有如此多的物质及如此少的反物质。如果物理学家无法发现超越希格斯玻色子的新粒子,那么中微子物理可能会代表粒子物理学的未来。”
陈少敏认为,如果将来自然界正反物质消失之谜得到揭开,而且与大亚湾结果紧密相关,那么诺贝尔奖很有可能将再给中微子至少一个奖项,奖励利用中微子开创研究宇宙正反物质不对称以及研究地球科学的先驱。中国的大亚湾反应堆中微子实验相关主导人员将是一个非常有机会的候选者。
中国将成为中微子研究世界领导者之一
中科院高能物理所所长、大亚湾反应堆中微子实验室主要负责人王贻芳说:“过去是我们出国学习,现在是别人来参加我们的实验。”当前,中国投入了大量资源,继续推动中微子质量的研究。今年1月,继大亚湾反应堆中微子实验之后,由中科院高能物理所牵头主持的第二个大型中微子实验——江门中微子实验在广东省江门市建设启动。这个实验站利用了广东阳江和江门的核电站所产生的大量反应堆中微子,通过一个两万吨液体闪烁体探测器,开展旨在测量三代中微子质量大小排序这一个非常重要的中微子属性的研究。实验站将建在地下700米深处,计划2020年投入运行并开始物理取数,运行至少20年。
同时,由清华大学和二滩水电站共同建设的中国锦屏地下实验室,由于拥有2500米的岩石覆盖层,成为了目前世界上埋深最大的地下实验室。该实验室在开展对1-100MeV能段的中微子研究将具有国际上其它地下实验室不可比拟的优势。如果建设千吨级以上的中微子探测器,预计可以在地球中微子、太阳中微子,以及暗物质等诸多方面具有不可预见的未来发现潜力。可以预见2020年以后,一系列中微子实验结果将使中国成为中微子研究的世界领导者之一。(葛维维盛安陵)
中微子——宇宙“隐身人”
中微子是组成自然界的最基本的粒子之一,质量非常轻,运动速度极快,接近光速。
中微子个头很小,可自由穿过地球,与其它物质的相互作用十分微弱,号称宇宙间的“隐身人”。中微子不仅是学术研究的热点问题,而且和我们普通人的“距离”也并不遥远。每一秒钟,都有几万亿个中微子穿过人体。
中微子振荡——奇妙的“三味冰淇林”
中微子振荡是一个物理学现象。是由理论物理学家布鲁诺˙庞蒂科夫首先提出的猜想,他认为特定味的某一中微子可以转化为不同的味。所探测到的中微子可能处于哪个“味”要由传播中不断改变的波形决定。
通俗来讲,中微子就像含有三种口味的“冰淇淋球”,但无论中微子发射出来时属于哪一种,在传播过程中都会变成“什锦冰淇淋”一样的味道混合体。
中微子应用
开展中微子的探测实验将进一步推动和提高我国工业生产应用能力。如,实验中需要用到的大型实验设备,多数需要自主研发。中国在测量中微子所需的大型光电倍增管方面,已经走在世界的前端。另外,中微子相关研究也将用于通讯科技。中微子可以直透地球,并且在穿过地球时损耗很小,只需要将中微子束加以调制,使其包含有用信息,在地球上任意两点进行通讯联系,利用中微子束将信息从南美洲穿过地球直接传至北京,再无需使用昂贵而复杂的卫星或微波站。
原子能院研制的大亚湾中微子实验中子刻度装置