大亞灣實驗項目三號實驗大廳

 圖為運行取數中的一號實驗廳

 

　　不久前，我國剛剛誕生了一項重大物理成果。大亞灣國際合作實驗首次發現了中微子的第三種振蕩模式，並獲得了精確的測量數值。大亞灣中微子實驗的新發現不僅令全世界科技工作者為之振奮。

　　最「熱」中微子

　　中微子，是構成物質世界的基本粒子。恆星內部的核反應，超新星的爆發，宇宙射線與地球大氣層的撞擊，核反應堆的運行，以至於地球上岩石等各種物質的衰變，都能產生中微子。每秒鐘，都有幾萬億個中微子自由地穿過人體。

　　雖然中微子無所不在，但是由於穿透力極強，而且幾乎不與其它物質發生相互作用，很難被探測到，因此它也是基本粒子中人類所知最少的一種。提出中微子存在假設的奧地利物理學家泡利甚至說：「天啊！我預言了一種永遠找不到的粒子。」所以有人稱之為「幽靈粒子」。它像一隻看不見的手，控制著微觀世界的基本規律。

　　小小的中微子在微觀物理粒子規律和宏觀的宇宙演化中都有著重要地位，甚至可能與宇宙中的反物質消失之謎有關。因此，對它的研究遠遠超出了粒子物理的範疇，是粒子物理、天體物理、宇宙學、地球科學的交叉與熱點學科。

　　經過六十多年的科研探索，中微子研究取得了巨大進步，先後有三次重大進展獲得了諾貝爾物理學獎。儘管如此，至今仍有許多關於中微子的謎團尚未解開。其中，首要亟需解決的問題就是精確測定中微子混合參數θ13.

　　由於這個數值的不確定性，中微子物理研究目前已經走到了一個岔路口，如果這個值很小或者沒有，那麼全世界研究中微子的科學家們將共同面臨一個尷尬局面：不知道未來中微子研究該向何方發展。可以說，θ13數值的大小決定了未來中微子物理研究的發展方向。

　　大亞灣實驗便是瞄準了θ13的精確測量。因此，在大亞灣地下100米進行的中微子實驗，受到全世界粒子物理學家的熱切關注。

　　這個難以捉摸的參數首次被精確測量，極大地振奮了國際高能物理界。實驗成功後，多個國際頂尖機構紛紛發來賀電。

　　美國Arogonne國家實驗室物理部主任Harry Weetrs教授表示，「現在，我們終於可以更精確的部署未來的中微子研究計畫了」。

　　日本T2K大型粒子探測實驗的發言人表示，中微子震盪實驗帶來的光明前景令人激動不已，「或許在我們有生之年就可以揭開物質層次的奧秘。」

　　基礎研究就是這樣，或許現階段看似「不實用」，但卻可能成為千百年後各種重大發現誕生的搖籃。

　　「拼搶」得「險勝」

　　關於這個值的測量，國際上曾提出了8個較為成熟的實驗建議，最終進入建設階段的共有3個：中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。

　　從一開始，我們就站在了國際競爭的跑道上。

　　在大亞灣實驗發佈結果後的一周，韓國也發佈了類似的實驗結果。

　　經歷了漫長的建設過程，大亞灣實驗最後以一周的時間之差取得了領先，這其中，凝結著許多人辛勤的汗水，更凝結著中國科學家的智慧與遠見。

　　大亞灣實驗早在2003年就提出了實驗和探測器設計的總體方案；經過各種前期考察、論證，於2006年獲得批准，正式立項；2007年10月破土動工，期間克服了重重前所未遇的困難，安全完成了核島附近3000多次爆破、3000米地下隧道和5個地下實驗廳的基礎建設，完成了6個中微子探測器的研製和裝配。

　　參與單位多、異地建設等因素給工程帶來了相當大的困難。

　　為了保證安全萬無一失，隧道建設比預計延誤了約2年時間，國際上一度認為中國不可能第一個得到實驗結果。

　　在進度「落後」的情況下，大亞灣項目組科研、工程人員在探測器安裝、取數計算等工作上，生生「搶」回了一年時間，趕在競爭對手前第一個發表了實驗結果。

　　在時間上，比韓國RENO實驗僅僅領先了一個星期，大亞灣中微子實驗結果的取得充滿了「驚險」。

　　工程進展環環相扣，往往是「牽一髮而動全身」，所有工程人員為了整體進度而加班加點已經成為了常態。

　　甚至有一次，裝配探測器的大吊車上的一個特製螺栓壞了，為了不影響整個工程各方的施工進度，工程人員親自坐飛機去取，在機場完成交接後馬上返回。在這種情況下，連快遞都顯得太「慢」了。

　　為了大亞灣實驗能早日取數，每一個「大亞灣人」都克服了種種家庭、生活上的困難，長期出差，連夜鏖戰。參與工程的一位工程師在工程關鍵時期每晚工作到半夜兩三點，春節後愛人來探親，他還是每天半夜兩三點才回家，兩人幾乎見不到面。結果他愛人住了幾天後，一氣之下拎包走了。

　　為了中國的科學實驗能夠在國際上搶得先機，幾乎每一位參與施工建設的工程人員都默默奉獻了許多，在這裡，他們不僅僅是在工作，而是在「為國爭光」。有一位現場的工作人員曾發自內心地說「小時候想當科學家，現在雖然當不了科學家，但是能和科學家在一塊兒工作，我感到非常榮幸。」

　　記者在採訪的過程中，能感覺到每一位參與工程的人，在回憶起那些「苦事兒」的時候，都透著一種難掩的幸福。

　　很多參加大亞灣中微子實驗的科學家是因為熱情而加入，這個實驗寄托了他們的理想，他們自喻為「一群勤勞的螞蟻」，工作在沒有陽光、陰暗潮濕的隧道，憑著超凡的創造力，用智慧和勞動建造了一個美麗的科學宮殿，在中微子物理研究領域留下了濃墨重彩的一筆。

　　數據分析環節是我國科研人員「搶」到的另一個先機。實驗得到的數據是在第一時間被同步傳輸到北京高能所和美國的，但最終是中國首先出了結果。並且在最終的物理結果中，雖然有中美兩方結果的相互校驗，但發表的文章中採用的正式結果是中方的。其物理分析的高速度、高水平甚至被國際上評價為「極其罕見」。

　　在一次採訪中，該實驗項目副經理、文章執筆者和通訊作者曹俊向記者透露這背後的「秘密」：國際合作組正式成立不久，大亞灣實驗中方的物理分析組便提前開發出了相應的數據分析軟體，並進行了多次的模擬演練，為日後的實戰分析積累了經驗，加上在緊張的數據分析衝刺階段，數據分析小組夜以繼日的努力，因此比美方先得到了高質量的分析結果。

　　合作開「先河」

　　大亞灣實驗的獨特設計加上得天獨厚的環境優勢，使美國能源部因此放棄自己的2個方案，轉而加入中國的大亞灣實驗，這也是美國高能物理在海外的第二大投資。

　　大亞灣中微子實驗項目共有11個經費來源，合作單位多達38個，約有250位科學家參加試驗。

　　在這場聲勢浩大的國際合作項目中，中方毋庸置疑佔據了主動。

　　得益於特殊的實驗設計並充分利用環境因素，大亞灣實驗在國際同類實驗中設計精度最高，在中微子實驗中前所未有，這其中包含了多項科技創新：

　　該實驗是唯一採用統一實驗室多模塊探測器的中微子實驗，提高了精度與可靠性，該設計得到了國際上的廣泛關注與贊同；

　　首次提出在探測器內的上下都採用反射板，大大節省了造價；

　　首次研製了性能優異的、基於烷基苯的摻釓液體閃爍體，解決了一直以來困擾科研人員的液閃使用壽命問題。針對摻釓液體閃爍體的關鍵技術環節，中美等各方曾經提出了多個方案，原則是「誰的方案好就用誰的」。經過討論和第三方的「盲評」，中方的方案最終勝出，成為項目組一致公認的選擇。

　　這一系列的創新之下取得的實驗成果，為中國的高能物理界掙得了榮譽。

　　曹俊說，眾所周知，美國人在工程方面有著很強的實力，但為什麼大亞灣實驗中，各方面都是中國人做得好？他總結道，該項目的首席科學家、項目經理，中科院高能所所長王貽芳始終強調要把大亞灣實驗「當成我們自己的事情」、「不要等美國人」，正是在這種理念的影響下，每個參與人員都把整個實驗當作自己的事情認真對待。

　　當然，國際合作也給中方帶來不少的益處。王貽芳說，國際合作不僅在推動項目立項、解決關鍵經費缺口、增強項目的國際影響力等方面給予實驗巨大的幫助之外，還加強了我們的競爭意識，大大推動了工作進程，同時在人才培養方面也有好處，「在國內就可以參與國際競爭」。

　　「過去是我們出國學習，現在別人來參加我們的實驗」。王貽芳表示，大亞灣實驗將我國的中微子研究帶入了國際前沿，極大地提升了我國在探測器設計和建造方面的國際聲譽，開創了國際合作的新局面。

　　後繼有「新」人

　　我國高能物理基礎相對薄弱，中微子研究在此前更幾乎是空白。曹俊曾說過，「在這次大亞灣實驗中，我們能來的科學家都來了。」

　　這其中，有一大批是年輕人。王貽芳感慨，「創新都是來自年輕人，年輕人在這裡面做了國際上最好的工作！」

　　大亞灣實驗的團隊中不乏「80後」，甚至還有「90後」的年輕科研人員在實驗中做了重要的工作。

　　王貽芳透露，大亞灣實驗項目已培養博士後2名，博士19名，碩士1名，其中7人獲得「中科院三好學生」、「所長優秀獎學金」等榮譽。此外還有多名實際參與工作的學生，也都從這個項目獲益良多。

　　大亞灣中微子實驗整個項目前後共經歷了八年時間，項目負責人王貽芳說，建設期間國內幾十家單位100多人，能力往一處使，老同志、中年人、年輕人，每個人都奉獻了很多。「整個項目沒有花俏的表面文章，經費的使用、人員的工作，都經得起歷史的考驗。」