曹俊的媳妇 追寻中微子的曹俊:基础研究是人类对未来的投资
在接触实验物理之前,没想过会为它魂牵梦萦;在接触到实验物理之后,竟已难舍难分。他,就是中科院高能物理研究所研究员——曹俊。
曹俊,1972年出生于湖南省。1993年在武汉大学获物理专业学士学位,1998年在中科院高能物理研究所获理论物理专业博士学位。
1998年,曹俊获博士学位后,先后前往法国国家科研中心直线加速器实验室、美国密歇根大学继续深造,于2004年回到中国科学院高能物理研究所工作,从事大亚湾反应堆中微子实验研究,同年入选中国科学院“百人计划”;2012年获“国家杰出青年基金”,开始担任大亚湾中微子实验国际合作组共同发言人;2013年,荣获亚太物理学会“杨振宁奖”和中国科学院杰出科技成就奖。
年轻时,曹俊曾立志做一个像霍金一样纯正的理论物理学家,梦想能够站在数学和物理的塔尖上。后来,他却与实验物理结缘。2004年,当时还在美国费米实验室的曹俊,应现任中科院高能物理研究所所长王贻芳之邀回国,在大亚湾核电站旁边的一座花岗岩的小山上,筹备一个寻找θ13的实验。这就是大亚湾反应堆中微子实验,曹俊先后负责实验设计和中心探测器设计工作,完成了实验数据分析工作。
中微子是在宇宙大爆炸时期产生的最多的粒子之一,它们是基本粒子中的“隐士”,最大的特征就是变幻莫测,难以测量。在这个粒子还只是个“猜测”的时候,它的预言者、奥地利物理学家泡利曾认为自己的想法很荒谬,一个很小、不带电、几乎测不到的粒子,这听上去像皇帝的新装。
中微子分三种:电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们可以经过“振荡”由一种类型变成另一种。3种振荡的量化描述是θ12、θ23和θ13,其中,θ12和θ23的大小已通过大气中微子和太阳中微子实验中测到。
从阳光灿烂的海滨到钻入黑暗的山洞。全长3000多米的大亚湾排牙山隧道,3个相连的像电影厅一样大小的地下实验室中,分布着8个中微子探测器。每个探测器是直径5米、高5米的圆柱,它们有着不锈钢的外壳,内装透明的液体闪烁体。
就是在这里,在与“隐身粒子”较量1600多个日日夜夜后,2012年3月8日,曹俊所在的大亚湾中微子实验国际合作组公布了用θ13描述的第三种振荡大小为0.092,误差是0.017,这是在中国本土首次测量到的基本物理学参数。
回忆当时的过程,曹俊这样说:“在科学研究里,这不是一天两天的事。我们刚开始发现可能有迹象,然而所有人都不信,我们自己也不信,因为分析很粗糙,很有可能出错,但是大家互相验证后,开始慢慢相信,这大概有两三个月的过程。刚过了一个多月时,我们基本上确信振荡是存在的,但要把这个数值做精确,需要用不同的办法反复检验,要经过很长的过程。”据他透露,虽然是3月8号正式对外公布发现了第三种振荡,但实际上确定这个振荡结果,包括写出文章互相对比,又花了几个星期时间。
这一科学成果在国际高能物理界引起强烈反响,李政道发来贺电:这是物理学一个有基础重要性的成就。《科学》杂志网站也评价道:“中国有史以来最重要的物理学成果”。2012年4月27日,论文《大亚湾发现电子反中微子消失》在美国《物理评论快报》正式发表,通讯作者是中科院高能所的研究员曹俊。
2007年刚开始大亚湾建设时,曹俊负责研制中心探测器。2009年,所长王贻芳让曹俊回来负责实验数据分析工作。“当时,国内没有做中微子研究的基础,我们团队里的年轻人,从学生起都没有见过中微子数据,因而在研究过程中分析时间较长。所以从2009年开始,我组织训练年轻人做分析。因为起初没有数据,我们就花了很大精力做了一个假的数据,让大家练手。所以我才说,我们取数的第一天,去找第一个中微子的时候,这些分析工具都已经准备好了。”
继大亚湾反应堆中微子实验后,曹俊所在的科学家团队如今又在筹建下一代中微子实验装置——江门中微子试验,他们,想要对浩瀚的未知世界进行终极探索;他们,想要解开中微子的大量谜团;他们,想要竭尽全力为人类认识物质世界开辟道路。
做学问如同建筑,最重要的是有坚固的地基。曹俊在自己的科研生涯中,重视基础研究,他认为,基础研究从某种角度上来说是人类对未来的投资。“科学研究的原动力就是理解自然、理解宇宙,我们不能说追求它的实用价值,比如我们刚开始发现电的时候不知道是怎么回事,刚发现引力的时候也不知道怎么回事,后来我们发现是可以利用它的,最终对人类的生活文化会产生巨大的影响。”
曹俊曾经写过这样一句话:“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,由他的弟子总结成开普勒三定律,这是牛顿提出牛顿力学的重要依据。谁能想到,天天盯着星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,发射飞船卫星的根本?当我们窥探到了宇宙运行的奥秘,也许几十年或100年后,中微子带给我们的知识,会同样融进我们生活的方方面面。”
从武大到中科院,从欧美实验室到中科院高能物理研究所实验物理中心,二十载春秋,5300多公里,跨越时间和空间的距离,这位乐观的物理学家,一直坚守着内心最初的悸动,致力于揭开宇宙终极之“谜”的神秘面纱。
