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探寻“幽灵粒子” 揭秘宇宙本源

——记2016年度国家自然科学奖一等奖王贻芳团队
来源:光明日报 2017-01-10 18:20:10

  2017年1月9日,人民大会堂主席台,聚光灯再次打到王贻芳身上,这位年轻的中科院高能物理研究所所长代表团队又领到了一个大奖——2016年度国家自然科学奖一等奖。去年,王贻芳获得了2016年基础物理学突破奖。此刻,他表示:“物理学的基础研究并没有直接的应用价值,却引领我们进一步理解世界、认识宇宙。”

  王贻芳及其团队因在大亚湾反应堆中微子实验中发现了中微子振荡的新模式而获得了2016年度的国家自然科学奖一等奖。

  时间回到2012年3月8日14时15分,一个让中国物理学人激动的时刻。大亚湾中微子实验国际合作组发言人王贻芳宣布,科学家们发现了新的中微子振荡模式,且实验达到了前所未有的精度,测得第三种中微子振荡模式的振荡幅度为9.2%,误差为1.7%,无振荡的可能性只有千万分之一。

  中微子是一类神秘的基本粒子:它质量极其微小,是最轻的粒子;它数量十分庞大,每秒钟有上万亿个中微子自由穿过人体;它几乎不与任何物质发生作用的特点让它极难被捕捉;它会变身术,一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子,然后再变回来,这叫作中微子振荡,三种中微子之间可发生三种振荡。因它看不见,摸不着,却又无处不在的特点,它有了一个别称——“幽灵粒子”。

  科学家普遍认为,中微子包含了宇宙中反物质是如何消失的重大信息。80年来,中微子一直在挑战人类的认识能力。科学家发现三种振荡模式各有其对应混合角,其中前两个混合角的测定者都获得了诺贝尔物理学奖,第三种振荡混合角却迟迟未能找到,以至于有人怀疑它根本不存在。

  因此,中微子第三种振荡的确认,引起了物理学界的兴奋。许多科学家认为,这是半个多世纪以来中国人最重要的实验物理学成果。日本T2K大型粒子探测实验的发言人表示,中微子振荡实验带来的光明前景令人激动不已,“或许在我们有生之年就可以揭开物质层次和电荷宇称破坏相角的奥秘”。

  大亚湾反应堆中微子实验是一个多国合作的项目,共有来自世界各地38个科研单位的250多位科学家参与。但中国科学家毫无疑问起到了主导作用:实验地点在中国,大部分的实验方案是中国人设计的,探测器的掺钆液闪等关键技术掌握在中国人手里,最后对实验数据的物理分析也是中国人最先算出。

  而当时选择在大亚湾核电基地建实验室,是因为大亚湾核电站功率高,是世界第二;同时大亚湾和岭澳两个机组附近均有山体,在山体下建实验室,可利用其岩石覆盖有效屏蔽宇宙线本底对实验结果的干扰。

  “当时我们的竞争压力主要来自两个方面,一个是项目组内部合作伙伴的竞争,一个是国际同行间的竞争。”回忆起当时的实验进程,王贻芳仍感慨不已,“要真正做到以我为主,靠的是实力。你只有做到最好,才能在国际合作中有更多的话语权。”

  王贻芳表示,大亚湾实验极大地提升了我国在探测器设计和建造方面的国际声誉,将我国的中微子研究带入国际前沿。他总结取胜的原因主要有三条:实验精度比别人高、方案设计比别人优、过程没有犯错。

  “2012年到2016年的4年间,我们的实验精度在不断提高,目前达到了4%,而2012年精度仅仅是20%,未来将会达到3%。”王贻芳透露道。        

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