在大亞灣核電站附近幾百米的深山里，潛伏著世界上最好的中微子探測(cè)器。它本是用來(lái)確認(rèn)中微子的第三種“變身”模式的，幾年前已經(jīng)完成任務(wù)。如今，它在國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的支持下，穩(wěn)健地邁向新的征程。
　　“振蕩”世界的中微子
　　中微子是個(gè)高深莫測(cè)的家伙，一直以來(lái)，它都在挑戰(zhàn)人類(lèi)的認(rèn)識(shí)能力。
　　作為一種不帶電、質(zhì)量極其微小的基本粒子，中微子數(shù)量十分龐大，每秒鐘約有幾萬(wàn)億自由穿過(guò)人體，并以接近光速運(yùn)動(dòng)。由于其幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生作用，因此也擁有了宇宙間“幽靈粒子”的稱(chēng)號(hào)。
　　不僅神出鬼沒(méi)，中微子還會(huì)“變身”——它可以在飛行中從一種類(lèi)型轉(zhuǎn)變成另一種類(lèi)型，即中微子振蕩。其擁有3種振蕩的量化描述，分別為θ12、θ23和θ13。前兩種已被科學(xué)家們通過(guò)大氣中微子和太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)量到，唯有代表第三種振蕩模式的θ13，長(zhǎng)期和全世界的物理學(xué)家捉迷藏。
　　時(shí)間回溯到2012年3月8日，這是一個(gè)值得科技界銘記的日子。
　　當(dāng)天下午2點(diǎn)15分，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大亞灣實(shí)驗(yàn)）國(guó)際合作組在北京宣布，大亞灣實(shí)驗(yàn)利用兩個(gè)近點(diǎn)實(shí)驗(yàn)廳和一個(gè)遠(yuǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)6個(gè)中微子探測(cè)器的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并測(cè)量到其振蕩幾率。該實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的精度，測(cè)得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%，誤差為1.7%，無(wú)振蕩的可能性只有千萬(wàn)分之一。
　　“這是物理學(xué)上具有重要意義的一項(xiàng)重大成就?！敝Z貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主李政道曾如此評(píng)價(jià)大亞灣實(shí)驗(yàn)。
　　一時(shí)間，眾多榮譽(yù)紛至沓來(lái)。短暫的喜悅過(guò)后，中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員曹俊陷入了更深的思考。
　　“中微子振蕩的信號(hào)不僅體現(xiàn)在中微子個(gè)數(shù)的減少上，也體現(xiàn)在所測(cè)中微子能譜的變形上?！辈芸「嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，因?yàn)椴煌芰康闹形⒆诱袷帋茁什煌瑥亩斐山c(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)探測(cè)到的中微子的能量分布（能譜）不同。研究能譜的變形，可以測(cè)量尚未測(cè)得的振蕩頻率，也可以把振幅測(cè)得更準(zhǔn)。
　　然而，這項(xiàng)看上去直截了當(dāng)?shù)墓ぷ鬟M(jìn)展并不順利?！耙獪y(cè)量中微子能譜，先要精確理解探測(cè)器對(duì)不同能量中微子的響應(yīng)，而這是個(gè)非線性曲線。”曹俊說(shuō)。
　　曹俊介紹，工作的難點(diǎn)主要在于兩方面?！笆紫龋覀兺ㄟ^(guò)大量研究發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器的非線性來(lái)自電子學(xué)和液體閃爍體兩個(gè)因素，交錯(cuò)在一起，現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以準(zhǔn)確確定。其次，測(cè)得的中微子能譜與理論模型對(duì)不上。如果假定能譜是對(duì)的，則需要一個(gè)看上去很怪的非線性曲線。”
　　而這兩個(gè)問(wèn)題不僅影響大亞灣實(shí)驗(yàn)后面的物理研究，也會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)下一代中微子實(shí)驗(yàn)——江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)。它采用2萬(wàn)噸液體閃爍體，瞄準(zhǔn)國(guó)際中微子研究的下一個(gè)重大問(wèn)題即中微子質(zhì)量順序，同時(shí)也將在精確測(cè)量振蕩參數(shù)、太陽(yáng)中微子、地球中微子、質(zhì)子衰變等方面取得國(guó)際領(lǐng)先。
　　為了解決這些問(wèn)題，2014年，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)了“大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)的物理分析與新探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)研究”重大項(xiàng)目。時(shí)隔5年，在項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收會(huì)上，曹俊報(bào)告了項(xiàng)目取得的主要進(jìn)展和成果?！斑@些成果保持了我國(guó)在反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)中領(lǐng)先的國(guó)際地位，進(jìn)一步擴(kuò)大了我國(guó)在中微子研究領(lǐng)域的國(guó)際影響?！辈芸≡u(píng)價(jià)說(shuō)。
　　五朵金花齊綻放
　　據(jù)了解，通過(guò)大亞灣實(shí)驗(yàn)，我國(guó)在反應(yīng)堆中微子研究領(lǐng)域已取得了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。探測(cè)反應(yīng)堆中微子主要采用液體閃爍體探測(cè)器，核心技術(shù)包括液體閃爍體、光電倍增管、精確的探測(cè)器響應(yīng)研究等。建設(shè)中的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)將采用類(lèi)似探測(cè)技術(shù)，但桌面儀器已達(dá)不到研發(fā)要求，技術(shù)挑戰(zhàn)更大。
　　曹俊介紹，為此該重大項(xiàng)目在大亞灣實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和設(shè)施基礎(chǔ)上，將研究任務(wù)分成5個(gè)課題展開(kāi)。
　　課題一主要研究探測(cè)器的能量非線性模型。課題二與課題三分別針對(duì)質(zhì)量平方差和反應(yīng)堆中微子能譜進(jìn)行物理分析，首次測(cè)量了反應(yīng)堆中微子振蕩相關(guān)的質(zhì)量平方差，逐步提高精度至2.8%，同時(shí)首次精確測(cè)量了反應(yīng)堆中微子能譜，發(fā)現(xiàn)與理論模型不一致，在國(guó)際上激發(fā)了大量關(guān)于核數(shù)據(jù)的研究，開(kāi)啟了新的研究熱點(diǎn)。
　　課題四和課題五則專(zhuān)攻硬件核心技術(shù)。
　　其中，課題四研制了一套液閃置換系統(tǒng)，將探測(cè)器內(nèi)部20噸液體閃爍體置換出來(lái)，換成江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)特殊純化后的液體閃爍體，并通過(guò)循環(huán)改變配方，進(jìn)行了非線性、光產(chǎn)額、極低本底等一系列研究。
　　曹俊透露，實(shí)驗(yàn)中有一個(gè)很有意思的發(fā)現(xiàn)。“液體閃爍體的配方中有一種波長(zhǎng)移位劑。以前國(guó)際上的實(shí)驗(yàn)，有的對(duì)光產(chǎn)額要求不高，沒(méi)有添加；有的加100毫克/升，有的加20毫克/升，大亞灣實(shí)驗(yàn)加了15毫克/升。通過(guò)在大亞灣進(jìn)行的置換實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)大探測(cè)器只要加1毫克就夠了，多了不僅浪費(fèi)，也會(huì)使性能下降。”
　　為了研究電子學(xué)非線性，課題五研制了一套高速波形取樣電子學(xué)讀出系統(tǒng)，將電子學(xué)非線性從10%降到了0.5%，誤差0.2%。加上對(duì)液閃非線性的研究，探測(cè)器能量非線性達(dá)到0.5%的精度，而之前國(guó)際最好水平大于1%。這些技術(shù)成果不僅提高了大亞灣實(shí)驗(yàn)的精度，也為江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)打好了基礎(chǔ)。
　　曹俊介紹，通過(guò)重大項(xiàng)目，一方面可以讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)集中精力做研究，另一方面，團(tuán)隊(duì)中的一部分人也可以專(zhuān)心于核心技術(shù)，服務(wù)于科學(xué)目標(biāo)，不用擔(dān)心論文產(chǎn)出。
　　“大家有著共同的科學(xué)目標(biāo)，既相互合作、取長(zhǎng)補(bǔ)短，也相互競(jìng)爭(zhēng)，這樣培養(yǎng)出的青年人才自然向國(guó)際水平看齊?！彼f(shuō)。
　　在重大項(xiàng)目實(shí)施的5年間，大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)表全合作組署名、自然科學(xué)基金委標(biāo)注的SCI物理論文共14篇，技術(shù)論文2篇，發(fā)表的3篇振蕩論文和3篇能譜論文均為本領(lǐng)域前1%的高引論文。共培養(yǎng)11名博士、22名碩士，5名講師升任副教授，2名副教授升任教授。不少博士與博士后獲得“瑪麗·居里獎(jiǎng)學(xué)金”、中德博士后基金、趙忠堯博士后獎(jiǎng)學(xué)金、粒子物理前沿卓越中心“拔尖青年人才”“優(yōu)秀青年人才”稱(chēng)號(hào)等殊榮。
　　“通過(guò)對(duì)核心技術(shù)的持續(xù)研究，我們?yōu)榻T(mén)中微子實(shí)驗(yàn)做好了相關(guān)技術(shù)和人才儲(chǔ)備，力爭(zhēng)在國(guó)際上繼續(xù)擴(kuò)大領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。”曹俊說(shuō)。
　　強(qiáng)化合作交流
　　回顧5年來(lái)的研發(fā)經(jīng)歷，曹俊對(duì)合作交流感受頗深?！皩?duì)于重大問(wèn)題的研究離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作發(fā)展?！?br/>　　首先是充分的國(guó)際合作。據(jù)了解，本項(xiàng)目研究合作組由中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、捷克、智利等國(guó)科學(xué)家組成，其中國(guó)外合作者數(shù)量約占一半。
　　其次是項(xiàng)目組內(nèi)部課題成員的相互合作?！罢n題一采用了課題四和課題五的成果，得到探測(cè)器的整體能量非線性。同時(shí)課題一的物理分析人員幫助課題四、五的探測(cè)器和電子學(xué)研究人員設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備、提出了指標(biāo)，也參與了其數(shù)據(jù)分析。而課題二、三直接采用課題一的能量非線性研究成果，在物理分析中也共同參與?！辈芸≌f(shuō)。
　　此外，該項(xiàng)目研究合作組每年都會(huì)組織兩次大亞灣國(guó)際合作組會(huì)和江門(mén)國(guó)際合作組會(huì)。項(xiàng)目組成員每年均得到大量國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)，參加國(guó)際會(huì)議、報(bào)告成果近百次，得到十多次大會(huì)報(bào)告機(jī)會(huì)，其中包括“天體物理與深地物理國(guó)際大會(huì)”“弱相互作用大會(huì)”等頂級(jí)會(huì)議。
　　曹俊介紹：“每次會(huì)議都由從事相關(guān)研究的專(zhuān)業(yè)人員參加研討和交流。這些會(huì)議不僅促進(jìn)了項(xiàng)目?jī)?nèi)成員之間的合作，也促進(jìn)了和項(xiàng)目外研究人員的交叉合作。”
　　面向未來(lái)，曹俊介紹，大亞灣實(shí)驗(yàn)將于2020年完成使命，新一代的江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)將于2021年投入運(yùn)行，幾項(xiàng)挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)通過(guò)大亞灣實(shí)驗(yàn)實(shí)施和該重大項(xiàng)目研究已得到了驗(yàn)證。
　　特別是發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)堆中微子能譜與理論模型不一致現(xiàn)象，成為了新的研究熱點(diǎn)。今年4月，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)核數(shù)據(jù)中心召開(kāi)專(zhuān)門(mén)會(huì)議，討論中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的核數(shù)據(jù)問(wèn)題，對(duì)大亞灣實(shí)驗(yàn)及計(jì)劃中的小型高精度實(shí)驗(yàn)——臺(tái)山中微子實(shí)驗(yàn)寄予厚望。
　　（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2019-05-27 第4版 自然科學(xué)基金)