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  【南方日报】探秘大亚湾中微子实验——深入地下100米,穿越3000米隧道  
  2017/06/19 | 【  

  

    它极微小,会“变身”,有极强的穿透力,可穿越地球直径那么厚的物质,在宇宙起源与演化中扮演着重要角色。

  它是中微子,构成物质世界最基本的粒子之一,也是人们了解最少的基本粒子。研究它,是全球高能物理学界最热、最前沿的一个领域。

  在深圳,就有这样一群追逐中微子的科学家,在位于地下100米阴暗潮湿的岩洞里,历经艰辛,揭开了中微子最后一个未被破解的振荡模式。这项世界级成果,被美国《科学》杂志评为2012年度十大科学突破,还于今年初拿下我国已连续17年9度空缺的国家自然科学奖一等奖。

  继走进深圳超算中心和国家基因库后,近日,南方日报记者驱车50公里,来到深圳以东的大亚湾核电站群附近的山洞内,探秘中微子实验。

  撰文:南方日报记者 杜艳 通讯员 王宇牛

  摄影:南方日报记者 朱洪波 策划:吕冰冰

  A 捕捉中微子有多难

  从时间开始的那一刻起,中微子就无处不在,构成了世界的本源,但人类认识它却仅有80余年,还留有许多未解之谜。在科学家眼中,中微子的神秘面纱每掀开一层,都能让人们向宇宙终极法则更接近一步。相关研究在最近30年间已4次斩获诺贝尔奖。

  可是,中微子几乎不与任何物质发生作用。这也是为什么虽然每秒钟有亿万个中微子穿过我们的身体,但我们很难发现它的踪影。

  中微子有多难捕获?美国科学家雷蒙德·戴维斯因为观测中微子的开创性工作而获得2002年诺贝尔物理学奖,诺奖委员会这么形容他的工作:“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找某一粒特定的沙子。”

  更让科学家“郁闷”的是,中微子还会玩“失踪”。如果把中微子比作苹果:理论预期太阳释放100个绿色苹果,可地球上只看到了35个,为什么?科学家后来知道,因为有65个绿苹果变成了黄色或者红色的,这就是“中微子振荡”,即从一种类型变为另一种。

  据了解,国际物理学界对中微子的3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13。前两种已在大气中微子和太阳中微子实验中找到。

  大亚湾实验要做的就是对第三种振荡模式的测量。这种振荡数值的大小决定了未来中微子物理研究的设计方向。

  B 与全球科学家赛跑

  在科研人员看来,找出θ13的大小,就意味着不仅要“捉住”神秘的中微子,还要让它开口说话,“交代”宇宙的一个终极秘密。

  由于科学意义重大,这场实验也演变成一场重量级的竞赛在全球展开。除了大亚湾实验,几乎同时启动的还有法国的DoubleChooz、韩国的RENO反应堆实验。此外,日本的T2K和美国的MINOS也在高速进行。这意味着,谁先测到θ13,谁就能赢得这场全球科学家的赛跑。

  “关键在实验的精度。”中国科学院院士、大亚湾中微子实验项目负责人王贻芳曾表示,实验环境因此要更深、更暗、更干净,数据分析也要争分夺秒。

  也正因此,位于深圳以东50公里处,紧邻大亚湾核电站的排牙山进入项目组视野。

  而大亚湾实验方案也因具有地理优势,设计独特,获得了国际上的关注。美国能源部就放弃了支持该国的两个实验方案,转而支持美国科学家加入大亚湾实验的合作。

  项目组科学家本来预计,实现测量θ13到1%精度的实验目标,大约需要两年。但开始取数后3个月,2012年3月,他们就宣告胜利。大亚湾实验装置的成功是把θ13算得很准——8.8度,误差为正负0.8度,这一速度比韩国RENO实验快了25天。

  C 每天300GB实验数据

  不久前,跟随大亚湾实验室相关科研人员,记者深入到地下100米、长约3000米、最近距离核反应堆仅300米的实验室,一探究竟。

  钻入黑暗的山底隧道,记者发现,在全长3000多米的大亚湾排牙山内,有5个相连的像大礼堂一样大小的地下实验室,其中3个放置了中微子探测器。每个探测器都是直径5米、高5米的圆柱,有着不锈钢的外壳,内装透明的“液闪”(液体闪烁体),被放在水池中。

  水和“液闪”的主成分烷基苯的质子密度都很高。大亚湾核反应堆每天产生10的26次方个反中微子,穿过水和烷基苯时,每天1000个中微子迎面撞上质子,抛出光子和中子;中子跟液闪反应放出光子。微弱的光被探测器内的光电倍增管放大并记录,从光强度算出中微子能量。

  如果距离反应堆较近处和较远处探测到的中微子能量差别明显,就说明中微子在从近到远的1000多米“变身”了。

  大亚湾实验数据每隔十几分钟都会由计算机压缩后传送到中科院计算中心和美国伯克利国家实验室计算中心,每天的数据量是300GB左右。实验无法避免干扰:实验设备的异常高压、核反应堆异常、宇宙射线等。每天有360个中微子相关的闪烁,但却有25万个宇宙射线造成的闪烁。数据必须筛选后提交。

  D“中国造”助力关键突破

  值得一提的是,尽管整个大亚湾实验合作组由来自中国、美国、俄罗斯、捷克、中国香港和中国台湾的38个研究机构、约270名研究人员组成,但中方团队在其中发挥了举足轻重的作用。

  将实验设计由一个大的整体探测器换为几个小的、模块化的探测器思路就是中国人的首创。它不仅便于实验中探测器的远近点交换,而且也减小了探测器的体积,可使隧道截面不至于过大,便于安装。

  “中科院高能物理研究所提出了独到的实验方案,实验设计指标和精度国际最高。”王贻芳接受媒体采访时曾说,同一实验厅放置2—4个全同探测器进行对比测量的方案,中方曾与美国合作者发生过激烈争论,实验数据后来证实了中国方案的有效。

  此外,在“液闪中”掺杂稀土元素钆这一国际难题,也是中国人解决的。据了解,在研制”液闪”的过程中,中国人与美国人都有各自的配方,并且都认为自己的最好。争执中,双方只得找第三方测试。测试结果是,中国人的“液闪”质量更高,能让“液闪”长期保持澄清。

  中心探测器的钢罐,直径5米、高5米,其壁厚仅1厘米,变形还要控制在1毫米之内。制造厂商说,为了这个独一无二的钢罐,他们进行了80多次焊接试验,制造这样一个20吨的钢罐用时一年多。

  当装配大厅的水泥地面建设完工后,来自美国的科学家,趴在地上一寸一寸用硬木敲击,侧耳倾听,保证地面没有一点点空隙,以确保设备的安装质量。他们发现中方的施工质量无可挑剔。

  E 粒子物理的起飞时刻

  除了中国制造外,这次试验还开创了企业资助国家大型基础科学研究的先例。

  中微子实验室的建设首先要解决资金问题,整个实验需要资金2.3亿,尽管获得了科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院的大力支持,但仍然有很大的缺口。

  2008年1月28日,中国广核集团与中国科学院签订大亚湾反应堆中微子实验合作协议,支持项目研究经费3500万元,并于当年完成支付,占该项目总投资的15%,由此开创了企业资助国家大型基础科学研究的先例。广东省政府及深圳市政府也分别给予该项目大量资金支持,中微子实验的资金问题顺利解决。

  由于靠近正在运行的核电站,实验室的隧道挖掘难度非同一般。为了确保核电站的安全,中国广核集团在项目的可行性研究、施工爆破振动、炸药运输等各个方面开展了详细的论证,多次向国家核安全局提交相关技术论证与实验分析等技术文件,接受国家核安全审评。

  终于,在2010年12月完成核电站附近全部约3000次爆破,建成全长3000米的地下隧道和5个地下实验厅;2011年年中逐步完成探测器的建造与安装后,当年12月,大亚湾中微子实验室的远、近点探测器便同时投入运行。

  2012年2月,正式运行后的第二个月,科研人员发现了中微子的第三种振荡。3月8日,便正式进行了成果发布。

  美国《科学》杂志将其评为2012年十大科学突破之一,并称“如果大型强子对撞机的研究人员没有发现标准模型之外的新粒子,那么中微子物理可能是粒子物理的未来,大亚湾的实验结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”

  因为这项成果,大亚湾实验合作组还与其他4个实验组,分享了2016年度基础物理学突破奖。

  根据有关的规定,科技成果需要实践检验3年后才能被推荐国家科学技术奖。4年后,该成果获得国家自然科学奖一等奖,值得一提的是,这也是此奖项连续17年9度空缺后首度颁出。

  ■知多D

  也许有一天

  它会变革通信技术

  奇妙的中微子,现在我们能够产生它、探测它,那么能不能在日常生活中用上它呢?美国费米实验室的科学家利用一个试验装置,成功地用中微子实现了通信,带宽为0.1bps(位/秒),误码率百分之一。由于中微子可以几乎不受阻挡地直线穿过物质,这种通信不会受海水和地层的阻挡,也无法被干扰、拦截和破解。也许有一天,它能变成实用的通信方式。

  不过在科学家眼中,基础研究的重要性要远远大于它的实用性。100多年前居里夫人发现原子核的衰变时,也无人知晓这将意味着什么,今天核能的利用已经深刻地改变了世界。如今,无比神秘的中微子还只是在象牙塔里,随着人类对自然界认识的不断深入,中微子的更多谜团正在揭开。

   ■ 对话

  希望科研成果与深圳产业对接

  南方日报:大亚湾中微子实验室的使命完成了吗?接下来会有什么打算?

  王贻芳(大亚湾中微子项目首席科学家、中科院高能物理研究所所长):我们已经在大亚湾中微子实验上做出了很多研究成果。目前实验正在继续进行,同时我们也在继续提高中微子振荡幅度的测量精度,预计会在2020年完成使命。

  南方日报:除了这一实验,在科研上跟深圳还有其他合作吗?

  王贻芳:在科研上跟深圳还有一些其他的合作,比如跟南方科技大学、香港中文大学(深圳)都有很多合作。特别是正在建设的散裂中子源在明年出束以后,我们期望会跟深圳的一些大学、研究单位和企业能有更多合作——希望他们能利用我们的散裂中子源开展材料科学、物质结构、化学、环境、地质等各个方面的研究。

  南方日报:深圳是一座创新型城市,但更多的是应用型创新,在源头创新上比较薄弱。为弥补这一短板,近年来深圳不断建设国际化高等大学并引进诺贝尔奖实验室,你对此有何建议?

  王贻芳:深圳未来会成为国际创新中心,目前应用型创新比较多,就更需要大力发展基础科学。近年来,深圳已经有不少“大手笔”,比如引进国际知名的大学,同时也在建设本地的南方科技大学等,我觉得这种做法非常有眼光。

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