中新網(wǎng)北京12月13日電 (記者 孫自法)中國第一代中微子實(shí)驗(yàn)裝置——大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)(大亞灣實(shí)驗(yàn))裝置，在實(shí)現(xiàn)原定科學(xué)目標(biāo)、完成科學(xué)使命后已于12日正式退役。

主持大亞灣實(shí)驗(yàn)的中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)表示，大亞灣實(shí)驗(yàn)取得的重要成果，不僅讓中國在基礎(chǔ)科學(xué)國際前沿的中微子研究領(lǐng)域躋身全球第一方隊(duì)，更為未來中微子研究指明方向，打開了新一代中微子研究大門。

為下一代中微子實(shí)驗(yàn)打開一扇大門

發(fā)現(xiàn)一種新的中微子振蕩、精確測量反應(yīng)堆中微子能譜、給出低質(zhì)量區(qū)惰性中微子最好的限制……經(jīng)過4年醞釀、4年建設(shè)和9年運(yùn)行共17年歷程的大亞灣實(shí)驗(yàn)，迄今已收獲一批重要科學(xué)成果。

其中，大亞灣實(shí)驗(yàn)國際合作組2012年3月宣布發(fā)現(xiàn)一種新的中微子振蕩，并以前所未有的精度，測得其振蕩大小為0.092，誤差為0.017，無振蕩的可能性僅為千萬分之一。這一重大發(fā)現(xiàn)對(duì)于研究物質(zhì)本原和宇宙起源，理解宇宙中反物質(zhì)消失之謎具有重要意義。

大亞灣實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人、中科院高能所所長王貽芳院士表示，大亞灣實(shí)驗(yàn)使科學(xué)家對(duì)物質(zhì)世界的基本規(guī)律有了新的認(rèn)識(shí)，該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的中微子振蕩振幅比預(yù)期要大得多，為未來中微子研究指明了方向，包括中國的江門中微子實(shí)驗(yàn)、美國的“沙丘”實(shí)驗(yàn)(DUNE)和日本的頂級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)(HyperK)等新一代的大型中微子實(shí)驗(yàn)裝置因此得以開始建設(shè)。

從大亞灣實(shí)驗(yàn)成長起來的青年科學(xué)家、中科院高能所實(shí)驗(yàn)物理中心副主任溫良劍研究員說，大亞灣實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一種新的振蕩模式，測到跟這個(gè)振蕩模式相關(guān)的混合角θ13的值不為零，“(θ13的值)在過去理論上是不清楚的，發(fā)現(xiàn)其不為零，給下一代中微子實(shí)驗(yàn)打開了一扇大門”，為下一代實(shí)驗(yàn)規(guī)劃進(jìn)一步測量中微子質(zhì)量順序、CP破壞相角等提供方向和奠定基礎(chǔ)。

他透露，大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置雖然退役停止運(yùn)行，但其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析還會(huì)持續(xù)兩到三年，科研人員將持續(xù)開展物理分析，盡可能發(fā)掘物理成果。

中微子振蕩測量精度未來幾十年不會(huì)被超越

取得豐碩科學(xué)成果、才“17歲”的大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置為什么要退役？

王貽芳指出，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)運(yùn)行很大程度上是為了提高精度，精度不能提高，繼續(xù)運(yùn)行就沒有意義。大亞灣實(shí)驗(yàn)的精度已經(jīng)不能由增加數(shù)據(jù)量來改善，它的整個(gè)誤差是由儀器設(shè)備本身精度所決定，而儀器設(shè)備本身的精度已達(dá)到極限，再運(yùn)行下去精度不能提高，就是浪費(fèi)人力財(cái)力物力。

大亞灣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)就按當(dāng)時(shí)可能實(shí)現(xiàn)的最高精度來設(shè)計(jì)，“事實(shí)上到了今天，再重新設(shè)計(jì)的話，依然沒辦法提高儀器設(shè)備精度，已經(jīng)到了極限，世界上大概也沒有第二個(gè)實(shí)驗(yàn)想做和能做，未來二三十年也不會(huì)有人再做這件事，因?yàn)榫纫褯]辦法提高了”。

他說，到目前為止，大亞灣實(shí)驗(yàn)對(duì)θ13測量的統(tǒng)計(jì)誤差已小于系統(tǒng)誤差，繼續(xù)運(yùn)行也不會(huì)提高精度，其他相關(guān)研究目標(biāo)數(shù)據(jù)量也基本足夠，所以從投入產(chǎn)出比考慮，決定大亞灣實(shí)驗(yàn)于2020年12月退出現(xiàn)役停止運(yùn)行。

王貽芳強(qiáng)調(diào)，目前，大亞灣實(shí)驗(yàn)中微子振蕩振幅的測量精度已從2012年的20%提高到3.4%，預(yù)期最終精度將好于3%。這是自然界的基本參數(shù)，其精確測量具有重要科學(xué)價(jià)值?？梢灶A(yù)期在未來幾十年，該精度不會(huì)被其他實(shí)驗(yàn)超越。

談及對(duì)大亞灣實(shí)驗(yàn)的整體評(píng)價(jià)，王貽芳笑言：“自己給自己打分不太合適。但是總體來說，我認(rèn)為是超出我們的預(yù)期，如果最后的結(jié)果跟預(yù)期完全一樣是100分的話，我們多少超點(diǎn)。無論是設(shè)備、物理成果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期?！?/p>

據(jù)介紹，大亞灣實(shí)驗(yàn)裝置退役之后，將移交給中微子實(shí)驗(yàn)場地所在的中國廣核集團(tuán)，由其進(jìn)行后續(xù)的開發(fā)利用。其中，距地面最近的中微子探測實(shí)驗(yàn)大廳，將改造成為一個(gè)科普基地。

推動(dòng)國際科技合作促進(jìn)人才培養(yǎng)

大亞灣實(shí)驗(yàn)是中美兩國在基礎(chǔ)研究方面迄今最大的國際合作項(xiàng)目，俄羅斯、捷克，中國香港和中國臺(tái)灣都對(duì)實(shí)驗(yàn)建設(shè)和科學(xué)研究做出重要貢獻(xiàn)。大亞灣實(shí)驗(yàn)國際合作組由中國與歐美41個(gè)研究單位組成，最多時(shí)近300位科研人員參與研究。

王貽芳認(rèn)為，主持和發(fā)起大型國際科技合作項(xiàng)目，是中國建設(shè)創(chuàng)新型國家和科技強(qiáng)國的一個(gè)目標(biāo)，這一步從小到大的發(fā)起、組織、管理、吸引的過程避免不了，大亞灣實(shí)驗(yàn)就是這其中的重要一步，它使得中國的國際科技合作走到一個(gè)新的高度，合作范圍、內(nèi)容、廣度、深度都是前所未有。

他透露，后續(xù)江門中微子實(shí)驗(yàn)國際合作規(guī)模更大，現(xiàn)在已有18個(gè)國家和地區(qū)的78個(gè)研究單位近680人參加，其中一半以上是外國科學(xué)家。中科院高能所規(guī)劃中的環(huán)形對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目等大科學(xué)裝置，也將全方位開展國際科技合作，目標(biāo)就是推動(dòng)中國在國際科學(xué)界成為大家認(rèn)可的參與者和領(lǐng)導(dǎo)者。

與此同時(shí)，通過中國主導(dǎo)的大型國際科技合作，也培養(yǎng)出一批具有國際水準(zhǔn)的科研人才。在大亞灣實(shí)驗(yàn)建設(shè)運(yùn)行過程中，中國有一大批跟國際上同齡人相比絲毫不遜色的青年干才成長起來，中微子研究從一開始的三五個(gè)人，已發(fā)展到現(xiàn)在擁有200人的團(tuán)隊(duì)。

溫良劍對(duì)此深有體會(huì)，認(rèn)為只要國內(nèi)有很好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能提供機(jī)會(huì)與平臺(tái)，不出國留學(xué)同樣可以成才。他說，大亞灣實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常國際化的平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上跟國際高水平的科研同行合作和競爭，非常鍛煉人，促進(jìn)人才成長，中國如果這樣國際化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目越多，就會(huì)讓國內(nèi)更多優(yōu)秀人才留下來，也將吸引更多國際優(yōu)秀人才加入。

王貽芳將這種通過主導(dǎo)國際科技合作項(xiàng)目培養(yǎng)人才稱為人才“造血機(jī)制”，強(qiáng)調(diào)中國科技人才培養(yǎng)真正需要解決的問題就是建立造血機(jī)制，“所以我們要有好的平臺(tái)、好的實(shí)驗(yàn)，要支持國內(nèi)大的科研項(xiàng)目不光出成果，還要有出人才的土壤，我們要有能力培養(yǎng)跟國外一樣甚至超過的高水平學(xué)生，不能永遠(yuǎn)靠引進(jìn)”。

基礎(chǔ)科研提出引領(lǐng)性需求帶動(dòng)技術(shù)發(fā)展

同其他基礎(chǔ)研究領(lǐng)域一樣，中微子研究也經(jīng)常被問及有什么用？“你指望我們馬上就把投入的錢給賺回來做不到，這也不是我們基礎(chǔ)科學(xué)研究的目的?！蓖踬O芳指出，一個(gè)國家的基礎(chǔ)科學(xué)要是不強(qiáng)，技術(shù)要強(qiáng)是不可能的，因?yàn)榛A(chǔ)科學(xué)最重要的作用是給技術(shù)提出從來沒有過的引領(lǐng)性的需求，只有需求才能帶動(dòng)技術(shù)的發(fā)展?；A(chǔ)科學(xué)會(huì)不斷提出新的要求，這種要求一旦通過工業(yè)界實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)水平就能積少成多、不斷提高。

他說，大亞灣實(shí)驗(yàn)建設(shè)運(yùn)行涉及到多種頂尖技術(shù)，從分布式延遲爆破、震動(dòng)監(jiān)測到大型精密儀器、化學(xué)、化工、真空、高速讀出電子學(xué)等，通過科研人員與中國工業(yè)界共同努力，成功達(dá)到并超過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)，在許多方面處于國際領(lǐng)先地位，從中也可管窺中國近年來實(shí)驗(yàn)科學(xué)的進(jìn)步和工業(yè)水平的提高。

王貽芳還舉例稱，具體到大亞灣和江門的中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在技術(shù)發(fā)展上有幾個(gè)相對(duì)來說可能帶動(dòng)的應(yīng)用：一是超高靈敏度、超低噪聲的光電探測，中科院高能所自主開發(fā)的光電倍增管實(shí)現(xiàn)了國際上最高的探測效率和超低的噪聲，光電探測應(yīng)用范圍很廣。

二是中微子實(shí)驗(yàn)做的鋼結(jié)構(gòu)對(duì)精度、安裝環(huán)境等要求以前從來沒有，在此基礎(chǔ)上已發(fā)展出一套新的高摩擦系數(shù)鋼結(jié)構(gòu)的國家標(biāo)準(zhǔn)和制作工藝要求。

三是中微子實(shí)驗(yàn)對(duì)水的提純以及各種各樣超潔凈環(huán)境的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域也有用武之地。

江門中微子實(shí)驗(yàn)預(yù)期2022年建成

中微子是宇宙中最古老、數(shù)量最多的物質(zhì)粒子，從宇宙誕生的大爆炸起就充斥在整個(gè)宇宙空間。太陽、地球、超新星、宇宙線、核反應(yīng)堆，甚至人體都在不停地產(chǎn)生中微子，每秒鐘都有億萬個(gè)中微子穿過人們的身體，但無法察覺，它幾乎不與任何東西發(fā)生反應(yīng)，甚至可以輕松穿過整個(gè)地球。

王貽芳科普說，中微子非常重要，它拯救了能量守恒定律，也向現(xiàn)代粒子物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”提出了挑戰(zhàn)。中微子不僅數(shù)量很多，而且它有無質(zhì)量對(duì)粒子物理和宇宙學(xué)有巨大的影響，“如果中微子質(zhì)量完全為0的話，宇宙當(dāng)中是不可能存在任何結(jié)構(gòu)的。宇宙當(dāng)中如果沒有結(jié)構(gòu)的話，也就沒有星系團(tuán)、銀河系、太陽和地球，宇宙就會(huì)是一個(gè)絕對(duì)均勻，沒有漣漪的‘死區(qū)’”。

因此，科學(xué)家需要把中微子研究清楚。在大亞灣實(shí)驗(yàn)“前浪”的基礎(chǔ)上，江門中微子實(shí)驗(yàn)等“后浪”正緊鑼密鼓建設(shè)。

王貽芳透露，江門中微子實(shí)驗(yàn)預(yù)期2022年完成建設(shè)，它利用陽江和臺(tái)山兩個(gè)核電站群產(chǎn)生的中微子，在不遠(yuǎn)的將來，將揭開中微子質(zhì)量順序的謎底，并在中微子振蕩參數(shù)的精確測量、天體中微子、地球中微子、新物理尋找、研究超新星等方面取得國際領(lǐng)先的科學(xué)成果。2030年左右，江門中微子實(shí)驗(yàn)可以升級(jí)改造為世界最大的無中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)，測量中微子絕對(duì)質(zhì)量，判斷其反粒子是否是其自身。

他介紹說，大亞灣實(shí)驗(yàn)是中國中微子研究的開端，江門中微子實(shí)驗(yàn)將取得更大成果。中微子研究前景光明，預(yù)期10年左右通過中微子振蕩實(shí)驗(yàn)確定中微子質(zhì)量順序和CP破壞相角、20年左右有望通過無中微子雙β衰變實(shí)驗(yàn)確定中微子質(zhì)量。

王貽芳表示，超新星爆發(fā)的99%能量通過中微子釋放出來。按照一般理論預(yù)期，銀河系100年左右大概有一次超新星爆發(fā)，目前銀河系已有400年沒看到超新星爆發(fā)，也特別期待在江門中微子實(shí)驗(yàn)生命周期內(nèi)能夠看到一次超新星爆發(fā)，助力宇宙起源、演化等相關(guān)研究。



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