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王贻芳团队获2016年度国家自然科学一等奖

17-01-10 14:46来源:中国青年报

  1月9日,中国科学院院士、中科院高能物理研究所研究员王贻芳,缓步走向北京人民大会堂领奖台,从国家领导人手中接过代表我国自然科学领域最高奖的证书——2016年度国家自然科学一等奖。

  这是他带领团队收获的又一枚大奖:王贻芳、曹俊、杨长根、衡月昆、李小男,这5位来自中科院高能物理研究所的科学家,因为和他们团队一起,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,而共同分享了这一荣誉。

  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。王贻芳以大亚湾中微子实验国际合作组发言人的身份向外宣布,他所带领的团队发现了新的中微子振荡模式θ13。至此,在这场法国、日本、韩国、中国等多国参与的大科学“赛事”中,中国率先冲线。

  中国科学家扔出的“石子”,激起了千层浪。根据王贻芳的统计,2012年,中微子团队实验成果所发表的首篇θ13论文保持高引用率,SCI他引是695次,在粒子物理学领域2011年以来发表的研究论文中排名第三,前两名则是欧洲核子中心发现希格斯粒子(即“上帝粒子”)的两篇论文。

  5年后的今天,这种影响依然在继续。

  美籍华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道说:“这是物理学上具有重要基础意义的一项重大成就。”也有科学家认为,这是半个多世纪以来,中国人在基础物理领域取得的最重要的实验成果。这种说法用诺贝尔奖来衡量的话,或许更具参考价值,因为此前发现前两种振荡模式的美国和日本科学家,均已获得这一科学界最高荣誉奖。

  中微子:“永远找不到”的幽灵粒子

  中微子是什么?

  这要从原子说起。如果把原子比喻成“建造”物质世界的“砖块”,那么这个世界就是由100多种“砖块”堆砌而成。到20世纪,科学家发现,原子并非这个世界最基本的“砖块”,它是由质子、中子和电子的不同组合构成的。

  后来,科学家们又发现,质子、中子和电子也并非最基本的粒子,构成它们的是更小的夸克和轻子。其中夸克有6种,轻子也有6种。这12种粒子才是物质世界最小的“砖块”。

  这其中,就有中微子。它属于轻子,有3种类型,在12种基本粒子中,占了1/4。

  中微子虽然小,“脾气”却很大:看不见,摸不着,却又无处不在,每秒钟有上万亿个中微子自由穿过人体,因此有了一个别称——“幽灵粒子”。提出中微子存在假设的奥地利物理学家泡利甚至说:“我预言了一种永远找不到的粒子。”

  几十年来,这个高深莫测的粒子,一直在挑战人类的认知能力。科学家认识到,中微子会变身术,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,这叫做中微子振荡,3种中微子之间可发生3种振荡。

  这3种振荡模式各有其对应混合角,分别为θ12、θ23、θ13,前两个混合角θ12、θ23的测定者都获得了诺贝尔物理学奖,唯有第三种,一直在和全世界的物理学家们捉迷藏,以至于有人怀疑θ13为零,也就是根本不存在。

  王贻芳说,由于这个数值的不确定性,中微子物理研究目前已经走到了一个岔路口,如果这个值很小或者没有,那么全世界研究中微子的科学家将共同面临一个尴尬局面:不知道未来中微子研究该向何方发展。

  于是,一场捕捉中微子θ13的大科学赛跑开始了。用大亚湾中微子实验的发起人之一、中科院高能所研究员杨长根的话说,这是一个高能物理领域人尽皆知的命题,但要精确地“捕捉”到它并不容易,“这需要先进的方案、设备以及精确的测算”。换言之,目标已经在那里,就看谁第一个到达那儿。

  “赛事”从一开始就弥漫着紧张的气息。2003年,法国、日本、韩国、中国等都竞相提出实验方案,由中科院高能所提出的大亚湾中微子实验只是其中之一。

  说起来,那已经是10多年前的事,王贻芳却记忆犹新:这场战役打得并不轻松,“如果当初稍微晚一些,整个实验就打了水漂”。

  “抢”出来的大科学领跑者

  2012年4月27日,《大亚湾中微子实验发现电子反中微子消失》论文在美国《物理评论快报》出版发表。作为该文的执笔者和通讯作者,大亚湾中微子实验的主要完成人、中科院高能物理所研究员曹俊已经等了整整50天。

  论文出来了,石头也就落地了。曹俊说,“虽然这场比赛还远没有结束,但从最新的实验结果来看,中国已经抢到了‘领跑’位置。”

  大亚湾中微子的实验站,位于深圳大亚湾核反应堆群的360米外,藏在百米高的花岗岩山体腹中。里面是由地面控制室和地下5个实验室组成,其中距离地面最深处达320米。这也是为何大亚湾中微子实验被称作“大科学工程”。

  大工程一开始就遇到了麻烦。

  “核电站就在身边,不能出现任何的闪失。”大亚湾中微子实验项目总工程师庄红林记得,为了核电站的安全生产,施工单位在最坚硬的花岗岩上,像绣花一样爆破,最小的一次爆破仅用了200克炸药。

  庄红林说,隧道建设比预计延误了近两年时间,这对整个实验的进程是致命的。

  2011年8月,韩国项目团队透出风声,称其项目团队已经开始取数,而彼时的大亚湾实验团队还未完成最后一个用来取数的实验大厅。“当时大家都慌了,国际上也一度认为中国不可能第一个得到实验结果。”庄红林说。

  为了赶进度,实验厅刚挖好,设备安装就开始了。杨长根回忆道,新挖好的岩洞内又热又潮湿,进去20分钟就浑身湿透,每天回到驻地后,甚至累得“只能躺着洗个凉水澡”。

  在进度“落后”的情况下,大亚湾项目组科研、工程人员在探测器安装、取数计算等工作上,生生“抢”回了一年时间。

  不论项目之外,还是团队内部,都不乏国与国之间博弈的影子。大亚湾反应堆中微子实验是一个有250多名科学家参与的国际合作项目,他们来自中国大陆和港台地区、美国、俄罗斯及捷克的38家科研机构。合作,便意味着实验得到的数据要在第一时间同步传输到北京高能所和美国,但最终却是中国首先得出了结果。

  曹俊说,之前他们有过很多次演习,一到战场上效率就高很多。中国方面整个物理分析团队在实验设置安装的过程中并没有闲着。除了配合实验装置的安装、测试工作,他们还提前一年多时间开发了相应的数据分析软件,并加班加点对其进行反复演练。

  最终,中国科学家“抢”在竞争对手前,先一步在这场大科学长跑中冲线。

  “这东西不是用来赚钱的”

  中微子第三种振荡的确认,引起了物理学界的兴奋,也遭来一些质疑:“这东西究竟有什么用?”

  “王院士,请您通俗地讲讲,中微子能用来干吗?”

  王贻芳不止一次地听到这样的提问。就在这次国家自然科学一等奖颁奖前夕,他还和前来采访的媒体记者之间上演了一段颇为有趣的对话。

  王贻芳先是给出了一个答案:“目前还看不出中微子有任何应用价值。”

  媒体记者追问:一点用也没有?

  “没有,没有任何用处。”王贻芳说。

  媒体记者不愿放弃追问:那对其他应用领域有没有什么启发价值?

  “对不起,真是没什么用处。”王贻芳说,“我们做基础研究的,就是来认识自然界,非要说有什么用,这就是所谓的贡献。如今做出这个成果,帮人类认识自然界基本构造方面更进了一步。”

  他进一步补充道,基础研究,首先是为了认识世界,至于有没有副产品,能否赚钱,能否为国民经济服务,那是另外的事。不过,一旦我们过分地去追求副产品,那就不是基础研究了。

  在科学家的眼里,基础研究的重要性远远大于它的实用性。王贻芳和他的团队就喜欢举一个例子——

  400年前,丹麦科学家第谷仰望星空30年,积累了大量的天文数据,由他的弟子开普勒总结成三大定律,成了牛顿提出力学体系的依据。谁能想到,天天盯着行星看而窥得的行星运动的奥秘,几百年后却成为我们修造高楼大厦、桥梁、飞机、汽车,乃至发射飞船卫星的根本?

  同样的,中微子,或许,几十年或一百年后,我们的后代也会给出答案。

 编辑:[穆好强]
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