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深山底下捕捉中微子:多方无私合作、国际科学赛跑中率先撞线
2019-08-09
科技日报

  2012年3月8日,中科院高能物理研究所的报告大厅里,所长王贻芳宣布:中微子的第三种振荡模式被发现了!大厅里掌声雷动;1小时内,贺电与欢呼声从世界各地飞来。大亚湾中微子实验的成功,被称为新中国成立以来最重大的实验物理成就。

  赢下这次强手如林的冲刺赛,中国科学家们不禁感慨十年来的酸甜苦辣。

  上天眷顾有准备的人

  2003年秋天,深圳东边40公里,来自北京的几位物理学家登上了海边的排牙山。

  山上树木葱茏,也遮不住嶙嶙的花岗岩。近在咫尺,是大亚湾核电站灰色水泥外壳的4座反应堆。

  物理学家难抑兴奋:核电站旁边有这样一座小山,难道是上天眷顾中国高能物理学界——核电站放出海量的中微子,可供测量;几百米厚的山体隔绝宇宙射线的干扰。

  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。随着国际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。

  此时,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100万元,开始中微子实验的选址勘测。2003年,他们听说深圳大亚湾核电站边有座小山,立刻来勘查。

  登上排牙山之前,他们的脑子里已有了主意:不造大探测器(当时认为只有体积大才能提高精度),而是做成几个小的、模块化的探测器。这样便于实验中探测器的远近点交换,而且运进去不需要太大的隧道,便于施工。

  事实证明,大亚湾设施虽然完工晚于竞争对手,但由于探测器体积小,洞外安装完毕,运进去稍加调试就能工作。而且多模块探测大大降低了实验误差。

  无私合作成就大科学工程

  在科学家的论证和联络下,最终科技部、中科院、国家自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团共同出资1.57亿元,加上美国能源部出资3400万美元,大亚湾实验成为当时中国基础科学领域最大的项目。

  中科院高能所在深圳无土地、无法人资格,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、企业及国际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。

  “为了核电站的安全生产,我们必须要让爆破量达到最小。”工程项目经理车红星说,最小的一次爆破仅使用了200克炸药。

  “为了执行核安全标准,我们的隧道建设延长了约2年。”大亚湾实验总工程师庄红林说,这次工程实施了近3000次爆破,开掘了3000米地下隧道和5个地下实验厅。

  中心探测器钢罐,直径5米、高5米,壁厚仅1厘米,变形要在1毫米以内。广东中泽重工公司的洪紫林说,他们进行了80多次焊接试验,一个20吨的钢罐“用了一年多时间才完成”。

  “成本是正常产品的7倍,单论这个项目我们是亏了钱的。”洪紫林说,“但我们能参与到国家项目中很荣幸。”

  中国制造质量无可挑剔

  实验中关键的“闪烁液体”,是中科院高能所自己研发配制的。要让钆与烷基苯混合起来,长期透明,很难。法国的实验,液闪100天就浑浊,实验被迫终止。大亚湾的科学家经过几年摸索,才把液闪配方的稳定流程搞清楚。他们掺入0.1%的一种稀土元素,缩短了中子的俘获时间同时降低噪声。

  同一实验厅放置2-4个全同探测器进行对比测量,这个方案曾被美国合作方激烈质疑。最后证明中国人的想法是大胆而正确的。

  装配大厅的水泥地面建设完工后,来自美国的科学家,趴在地上一寸一寸用硬木敲击,侧耳倾听,保证地面没有一点点空隙,以确保设备的安装质量。他们发现“中国人的施工质量无可挑剔”。

  实验开始后,每天数据多达250GB,同时传输到北京中科院高能所和世界各合作单位,而中方的分析是最快的;最终结果采用了中方的分析。曹俊说,这归功于中方预先开发分析软件,并模拟演练。

  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,让国际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。

  争分夺秒率先撞线

  3个实验大厅先后挖好。为争取时间,刚挖好的洞厅,就开始安装设备。新岩洞又热又潮湿,进去20分钟浑身湿透。回到宿舍,大家累得“只能躺着洗个凉水澡”。

  装配吊车的一个螺栓坏了,由于是特制的,必须从河南取来。马上有科学家坐飞机过去,机场交接,即刻返回。

  实验室电缆布线,设备工艺,与国际同行网上开会……为赢得国际竞争,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。

  在研制液闪大规模混制设备时,工作人员连续一个月试产,每天从上午忙到第二天凌晨4时。

  2011年,日、美、法等国相继发布了中微子第三种震荡的“迹象”。为首先撞线,大亚湾果断改变8探测器的方案,先使用6个探测器,2011年12月24日起至2012年2月17日抢先测数。成功结果就来自这一阶段的数据。

  论证4年,施工3年,安装实验设施1年,取数55天,分析只用半个月,这就是大亚湾的速度。进度曾经领先世界的韩国同行,在中科院高能所成功后3周发布了类似结果。

  中科院高能所宣布成功当天,李政道先生发来邮件:“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”

  大亚湾人自称“一群勤劳的蚂蚁”:工作在阴暗潮湿的隧道,却造出一座美丽的科学宫殿。

  (原标题 十年一剑,大亚湾中微子实验令世界瞩目)

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