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国际合作、协同创新 探索中微子基础科学“富矿”

发布时间:2017-01-09 14:10:36   来源:新华网  

   新华网北京1月9日电(记者高璎璎)1月9日,2016年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重举行。由中国科学院高能物理所所长王贻芳主持的“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”获得国家自然奖一等奖。

   2011年,英国《自然》杂志网站报道,欧洲大型强子对撞机“撞”出了一个令人惊叹的结果,研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象。

  科幻电影《2012》中那些惊心动魄的场景可能还历历在目,世界末日之所以会到来,剧中科学家的解释是:太阳爆发导致中微子开始跟物质发生反应,地球面临崩溃。

   2015年的诺贝尔物理学奖和基础物理学突破奖颁给了发现中微子存在震荡现象且拥有质量的两位科学家。

   过去的80年,人类对中微子的认识从无到有,取得了许多重大突破,在此领域取得成就的科学家共获得了4次诺贝尔物理学奖。

   这个神秘的“小家伙”再次引起人们的关注。那么,什么是“中微子”,它有什么特质,研究它又有什么样的意义呢?

  王贻芳院士解释到:“小小的中微子,是构成物质世界的基本粒子之一,在微观的物质世界和宏观的宇宙中起着非常重要的作用,是联系物理学、天文学、宇宙学和天体物理学的重要纽带。”

   大亚湾实验:进入中微子基础科学研究“富矿”

   从2006年开始,一群从事粒子物理研究的中国科学家和工程师们在大亚湾核电基地开始了他们艰苦而伟大的研究之路。

   2012年3月8日,他们将数年艰辛努力的成果捧到了世人面前——发现一种新的中微子振荡,并且精确测出了它的振荡几率θ13。这个举世瞩目的科研成果,为未来的中微子研究指明了方向。

  大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式,这一科学成果被美国《科学》杂志评选为2012年度十大科学突破,并评价为“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。大亚湾实验的结果可能就是标志着这一领域起飞的时刻。”

   美国《自然杂志》在线评论:“这个曾经可望而不可即的参数,现已被首次精确地测量。”

  大亚湾实验发现了新的中微子振荡模式,精确测量了其振荡参数13,推动了中微子研究进入新的发展阶段,是我国对中微子振荡研究的首次尝试,是我国进入中微子这个基础科学研究“富矿”的肇始。

  对于大亚湾中微子实验,王贻芳认为有两个重大意义:首先,它是我国首次研制的低能量、低成本、高精度的大型探测器,大大提升了我国在相关领域的技术水平,提高了我国科学家在国际领域的话语权;其次,大亚湾中微子实验的建设涉及各种顶尖技术,从分布式延迟爆破、震动监测,到大型精密仪器、化学化工、真空、高速读出电子学等,可以管窥我国近年来实验科学的进步和工业水平的提高。

  王贻芳介绍说,大亚湾实验站将持续运行3—5年,可把中微子混合角θ13的测量精度提高到4%左右。在未来至少二三十年内,都很难再有实验超过大亚湾的测量精度。

   国际合作项目典范:关键技术掌握在自己手中

   2003年,为了测量最后一个未知的中微子混合参数,法国、日本、韩国等都竞相提出实验方案。由中科院高能物理研究所提出的大亚湾中微子实验是其中之一,最终中方的方案脱颖而出。

  这项实验得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团的支持,6家单位共同出资1.57亿元人民币,加上美国等其他国家和地区的出资,使其成为中国基础科学领域最大的国际合作项目。

   2006年年初,来自不同国家和地区、10多个研究单位的60名科研人员构成了初始的大亚湾反应堆中微子实验国际合作组。

  据介绍,项目建设过程中,中国科学家解决了多模块探测器设计、水屏蔽设计、反射板设计等大量技术难题,以出色的工作赢得了国际同行的认可和尊重。

  王贻芳介绍,大亚湾实验“以我为主”体现在三个方面:实验方案全部采取了中科院高能所的设计方案;在项目建设中,牢牢地把关键技术掌握在自己手中;完整独立地掌握了实验数据全部分析过程,最终发表的文章中采用的也是高能所的结果。

   “我们的声音越来越被重视。”王贻芳说,“当项目开始并取得良好进展后,我们收到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态度完全不一样了。”

  联合的力量取得了中微子探测的成果,但在这一规模庞大的国际合作项目中,中国的科学家们无疑作出了最重要的贡献,他们的创新实力和实验成果,为中国的高能物理界争得了荣誉。“过去是我们出国学习,现在别人来参加我们的实验。”王贻芳说,大亚湾实验将中国的中微子研究带入了国际前沿,极大提升了中国在探测器设计和建造方面的国际声誉,并且提高了中国高新技术产业的水平。

   技术创新:解决世界级难题

   在大亚湾中微子实验中包含了多项科技创新:

   该实验是唯一采用统一实验室多模块探测器的中微子实验,提高了精度与可靠性,该设计得到了国际上的广泛关注与赞同;

   首次提出在探测器内的上下都采用反射板,大大节省了造价;

   ……

   在王贻芳看来,以中方为主导研发的液闪是整个实验中技术创新的一大亮点。

  液闪要求长时间澄清,让无机物钆与有机物烷基苯稳定混合在一起,并保持长期透明,一直是科学界的一大难题。法国的CHOOZ实验,因为液闪只使用了100天就变得浑浊,被迫终止。因此可以说,配制液闪是工程建设中的关键技术问题。

  实验首次研制了性能优异的、基于烷基苯的掺钆液体闪烁体,解决了一直以来困扰科研人员的液闪使用寿命问题。针对掺钆液体闪烁体的关键技术环节,中美等各方曾经提出了多个方案,原则是“谁的方案好就用谁的”,经过讨论和第三方的“盲评”,中方的方案最终胜出,成为项目组一致公认的选择。

  王贻芳解释说:“液闪是大亚湾中微子实验中的核心,成功研制新型掺钆液闪及大规模制备方法,解决了掺钆液闪不稳定的国际难题。”

  大亚湾中微子实验所测得的较大的θ13值,预示着中微子的全部奥秘有望在不久的将来被彻底揭开。王贻芳说:“下一代中微子实验——江门中微子实验已完成规划与设计,正在紧锣密鼓地进行,预计2020年项目建成,项目可运行30年,该项目标志着中微子发展的重大方向。”

责任编辑:周娟

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