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深山底下捕捉中微子:多方无私合作、國際科学赛跑中率先撞线
2019-08-09
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  2012年3月8日,中科院高能物理研究所的報告大廳裏,所長王贻芳宣布:中微子的第三種振蕩模式被發現了!大廳裏掌聲雷動;1小時內,賀電與歡呼聲從世界各地飛來。大亞灣中微子實驗的成功,被稱爲新中國成立以來最重大的實驗物理成就。

  贏下這次強手如林的沖刺賽,中國科學家們不禁感慨十年來的酸甜苦辣。

  上天眷顧有准備的人

  2003年秋天,深圳東邊40公裏,來自北京的幾位物理學家登上了海邊的排牙山。

  山上樹木蔥茏,也遮不住嶙嶙的花崗岩。近在咫尺,是大亞灣核電站灰色水泥外殼的4座反應堆。

  物理學家難抑興奮:核電站旁邊有這樣一座小山,難道是上天眷顧中國高能物理學界——核電站放出海量的中微子,可供測量;幾百米厚的山體隔絕宇宙射線的幹擾。

  21世纪初,中微子成为高能物理学的宠儿。难以测量的它,寄托了解决宇宙基础谜题的希望。随着國際上看好中微子研究前景,俄、法、美、日、韩等国相继提出8个测量“中微子第三种振荡”方案。

  此時,中科院高能所的王贻芳、曹俊拿出自己的人才基金,加上高能所特批的100萬元,開始中微子實驗的選址勘測。2003年,他們聽說深圳大亞灣核電站邊有座小山,立刻來勘查。

  登上排牙山之前,他們的腦子裏已有了主意:不造大探測器(當時認爲只有體積大才能提高精度),而是做成幾個小的、模塊化的探測器。這樣便于實驗中探測器的遠近點交換,而且運進去不需要太大的隧道,便于施工。

  事實證明,大亞灣設施雖然完工晚于競爭對手,但由于探測器體積小,洞外安裝完畢,運進去稍加調試就能工作。而且多模塊探測大大降低了實驗誤差。

  無私合作成就大科學工程

  在科學家的論證和聯絡下,最終科技部、中科院、國家自然科學基金委、廣東省、深圳市和中國廣東核電集團共同出資1.57億元,加上美國能源部出資3400萬美元,大亞灣實驗成爲當時中國基礎科學領域最大的項目。

  中科院高能所在深圳无土地、无法人資格,不能向市政府申请开工。协调决定,以中广核集团的名义申请建设,深圳政府予以支持。

  科学家备受感动:中微子实验不会为深圳市和中广核集团带来利润,只带来无限多的麻烦。而中广核集团慷慨出资3500万元。“大亚湾实验开创了国家、地方政府、企业及國際合作共同支持基础研究的先例。”中科院高能所原所长陈和生院士说。

  “爲了核電站的安全生産,我們必須要讓爆破量達到最小。”工程項目經理車紅星說,最小的一次爆破僅使用了200克炸藥。

  “爲了執行核安全標准,我們的隧道建設延長了約2年。”大亞灣實驗總工程師莊紅林說,這次工程實施了近3000次爆破,開掘了3000米地下隧道和5個地下實驗廳。

  中心探測器鋼罐,直徑5米、高5米,壁厚僅1厘米,變形要在1毫米以內。廣東中澤重工公司的洪紫林說,他們進行了80多次焊接試驗,一個20噸的鋼罐“用了一年多時間才完成”。

  “成本是正常産品的7倍,單論這個項目我們是虧了錢的。”洪紫林說,“但我們能參與到國家項目中很榮幸。”

  中國制造質量無可挑剔

  實驗中關鍵的“閃爍液體”,是中科院高能所自己研發配制的。要讓钆與烷基苯混合起來,長期透明,很難。法國的實驗,液閃100天就渾濁,實驗被迫終止。大亞灣的科學家經過幾年摸索,才把液閃配方的穩定流程搞清楚。他們摻入0.1%的一種稀土元素,縮短了中子的俘獲時間同時降低噪聲。

  同一實驗廳放置2-4個全同探測器進行對比測量,這個方案曾被美國合作方激烈質疑。最後證明中國人的想法是大膽而正確的。

  裝配大廳的水泥地面建設完工後,來自美國的科學家,趴在地上一寸一寸用硬木敲擊,側耳傾聽,保證地面沒有一點點空隙,以確保設備的安裝質量。他們發現“中國人的施工質量無可挑剔”。

  實驗開始後,每天數據多達250GB,同時傳輸到北京中科院高能所和世界各合作單位,而中方的分析是最快的;最終結果采用了中方的分析。曹俊說,這歸功于中方預先開發分析軟件,並模擬演練。

  别人在过年,大亚湾在冲刺。大亚湾的成功是“抢”出来的,与各国一流科研机构的合作中,中国团队凭实力赢得了尊重,让國際高能物理界看到了漂亮的中国数据,听到了响亮的中国声音。

  爭分奪秒率先撞線

  3個實驗大廳先後挖好。爲爭取時間,剛挖好的洞廳,就開始安裝設備。新岩洞又熱又潮濕,進去20分鍾渾身濕透。回到宿舍,大家累得“只能躺著洗個涼水澡”。

  裝配吊車的一個螺栓壞了,由于是特制的,必須從河南取來。馬上有科學家坐飛機過去,機場交接,即刻返回。

  实验室电缆布线,设备工艺,与國際同行网上开会……为赢得國際竞争,大亚湾没有节假日,“白加黑”“五加二”,两班倒工作16个小时是常态。

  在研制液閃大規模混制設備時,工作人員連續一個月試産,每天從上午忙到第二天淩晨4時。

  2011年,日、美、法等國相繼發布了中微子第三種震蕩的“迹象”。爲首先撞線,大亞灣果斷改變8探測器的方案,先使用6個探測器,2011年12月24日起至2012年2月17日搶先測數。成功結果就來自這一階段的數據。

  論證4年,施工3年,安裝實驗設施1年,取數55天,分析只用半個月,這就是大亞灣的速度。進度曾經領先世界的韓國同行,在中科院高能所成功後3周發布了類似結果。

  中科院高能所宣布成功當天,李政道先生發來郵件:“這是物理學上具有重要基礎意義的一項重大成就。”

  大亞灣人自稱“一群勤勞的螞蟻”:工作在陰暗潮濕的隧道,卻造出一座美麗的科學宮殿。

  (原标题 十年一剑,大亚湾中微子实验令世界瞩目)

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