中微子獵手

鞠強(qiáng)

2012年3月8日，曹俊所在的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)召開新聞發(fā)布會，宣布關(guān)于中微子研究的重大發(fā)現(xiàn)。這時距離當(dāng)年春節(jié)過去僅一個多月的時間，為了這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)成員過年都沒有回家。“當(dāng)時特別緊張，我們想要趕在其他國家團(tuán)隊(duì)之前得出結(jié)果。大家加班加點(diǎn)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，春節(jié)都沒回家過年。除夕時候，我請他們吃了年夜飯。”盡管已經(jīng)過去7年多，提起當(dāng)時的情況，曹俊還記憶猶新。

中微子是粒子世界的“幽靈”，不帶電，質(zhì)量小，無處不在卻又極難觀察。曹俊是國內(nèi)最早倡導(dǎo)并開展中微子實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家之一。2003年之前，他在美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室參與中微子研究，那時國內(nèi)研究中微子的物理學(xué)家鳳毛麟角，更沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。偶然的機(jī)會，他和中科院高能物理研究所現(xiàn)任所長王貽芳院士就未來的中微子實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了幾次交流，盡管立項(xiàng)前景不明，但覺得科學(xué)上非常誘人，于是決定回國面試相關(guān)的崗位?！澳菚r候簽證很困難，覺得有可能回不了美國了，所以帶了一半行李回國，面試成功之后，因?yàn)榛I備實(shí)驗(yàn)非常忙，我果然沒有再回去”。曹俊就這樣成為大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)最早的成員之一。

“1988年以來，中微子相關(guān)研究已經(jīng)4次獲得諾貝爾物理學(xué)獎，可見其重要性?！辈芸槲覀冎v解道。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是20世紀(jì)物理學(xué)最重要的成就之一，在絕大多數(shù)情況下，理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都驚人一致，但是這個模型不能解釋暗物質(zhì)和暗能量，也不能解釋中微子質(zhì)量，因此物理學(xué)家不得不去尋找標(biāo)準(zhǔn)模型之外的“新物理”，從而完善對世界的描述。在未知的重重迷霧中，中微子也許是他們最重要的線索。

曹俊在中科院高能物理所的光電倍增管實(shí)驗(yàn)室。光電倍增管能將極微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出，并獲得驚人的電子倍增能力。江門實(shí)驗(yàn)使用的光電倍增管全部由中國生產(chǎn)。

自然界中已知存在3種中微子，彼此之間可以轉(zhuǎn)化，這被稱作中微子振蕩，是標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋的奇異現(xiàn)象。中微子振蕩中，有3個叫做混合角的重要參數(shù)，對前2個參數(shù)的測量都獲得了諾貝爾獎，因此測量第3個參數(shù)成為很多實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)，包括曹俊所在的大亞灣團(tuán)隊(duì)。

2011年12月24日，大亞灣實(shí)驗(yàn)的探測器開始取數(shù)。在這樣一個探測器建在中國、以中美兩國為主的多國粒子物理合作項(xiàng)目里，整個團(tuán)隊(duì)都處在既合作又競爭的良性狀態(tài)中。因?yàn)槭菄鴥?nèi)第一次開展大型中微子實(shí)驗(yàn)，中方團(tuán)隊(duì)無先例可循，只能本著“遇山開路、遇水架橋”的態(tài)度，逐個攻克難關(guān)?！皥F(tuán)隊(duì)每個人都很拼，心里卯著勁呢！”

終于，大亞灣率先發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式（對應(yīng)第3個混合角）并精確測量了振蕩概率。這不僅是測得了中微子物理中一個重要的參數(shù)，還將直接決定下一代中微子實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)思路和發(fā)展方向，因此得到國際物理學(xué)界的高度評價。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子讓歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)名聲大噪，也讓大型高能物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施走進(jìn)公眾的視野。“粒子物理實(shí)驗(yàn)從提出設(shè)想、設(shè)計(jì)建造再到運(yùn)行并產(chǎn)出成果，往往需要一個漫長的周期，”曹俊說，“從事粒子物理研究的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，在科研生涯的黃金期只能投入到一兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中。”他們既不能盲目行動，又要有遠(yuǎn)見卓識。

2008年，大亞灣實(shí)驗(yàn)剛剛啟動建設(shè)不久，曹俊等人就已經(jīng)開始為未來進(jìn)行謀劃，提出了江門中微子實(shí)驗(yàn)。這個實(shí)驗(yàn)是大亞灣實(shí)驗(yàn)的升級版，不僅有望確定中微子質(zhì)量順序，對中微子的幾個關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行更加精確的測量，深化對中微子的理解，甚至有可能發(fā)現(xiàn)宇宙起源中反物質(zhì)消失之謎的“鑰匙”。

江門中微子實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙言诨ㄊ┕ぶ?，?jì)劃在2021年底完成探測器建造，再用約6年的時間完成關(guān)鍵的數(shù)據(jù)收集工作，那時距離提出設(shè)想整整20年。20年是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的黃金期，但與宇宙138億年的歷史相比，只是微不足道的一瞬間。以“瞬間”去探索“永恒”，為理解看似不可理解的宇宙創(chuàng)造可能，也許就是曹俊這樣的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家送給人類的最大奇跡。

曹俊粒子物理學(xué)家，中國科學(xué)院高能物理研究所研究員，研究方向?yàn)橹形⒆游锢砗椭形⒆犹綔y技術(shù)。