王光谦201702 17年9度空缺 2016年国家自然科学奖一等奖“花落”大亚湾实验

翘首以待,2016年度国家自然科学奖一等奖得主揭晓,“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”9日获得殊荣。

这个自然科学领域最受瞩目的奖17年来曾9度空缺,可谓“慎之又慎,宁缺毋滥”。简单来说,获得项目必须是重大科学发现,得到同行认可。

得奖的大亚湾实验到底是什么?在攀登科学高峰的途中,中国又抵达了哪个位置?

大亚湾实验:“活捉”神秘中微子

天地玄黄,宇宙洪荒。从时间开始的那一刻起,中微子就无处不在,构成了世界的本源,但人类认识它却仅有80余年,还留有许多未解之谜。

在科学家眼中,中微子的神秘面纱每掀开一层,都能让人们向宇宙终极法则更接近一步。相关研究在最近28年间已4次斩获诺贝尔奖。

可是,中微子几乎不与任何物质发生作用,在它的眼里,地球几乎是透明的。因此,虽然每秒钟有亿万个中微子穿过我们的身体,但我们很难发现它的踪影。

中微子有多难捕获?美国科学家雷蒙德·戴维斯因为观测中微子的开创性工作而获得2002年诺贝尔物理学奖,诺奖委员会这么形容他的工作:“相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找某一粒特定的沙子。”

更让科学家“郁闷”的是,中微子还会玩“失踪”。如果把中微子比作苹果:理论预期太阳释放100个绿色苹果,可地球上只看到了35个,为什么?科学家后来知道,因为有65个绿苹果变成了黄色或者红色的,这就是“中微子振荡”。

我们生活的这个世界,有一些最基本的物理规律,一代又一代科学家费尽心血构建起了一个“标准模型”来阐述这些规律。可中微子振荡与这个标准模型并不兼容。到底是哪里出现了问题?近乎完美的模型是否要推倒重建?一切取决于科学家能否掌握中微子振荡的秘密,或者说是“苹果”变色的概率。

一个名为θ13的参数这时候成了焦点,大亚湾实验就是要找出θ13的大小。

“中国最重要物理学成果”:赢得全球科学家的赛跑

找出θ13的大小,如果打比方说,就是不仅要“捉住”神秘的中微子,还要让它开口说话,“交代”宇宙的一个终极秘密。

一场重量级的竞赛在全球展开。除了大亚湾实验,几乎同时启动的还有法国的Double Chooz、韩国的RENO反应堆实验,此外,利用加速器中微子的两个实验--日本的T2K和美国的MINOS也在高速进行。各国的顶尖高能物理学家纷纷投身这五个实验,谁先测到θ13,谁就能赢得这场全球科学家的赛跑。

“关键在实验的精度。”中国科学院院士、大亚湾中微子实验项目负责人王贻芳说,实验环境因此要更深、更暗、更干净,数据分析则要争分夺秒。

从大亚湾核电站的山底一路向下,穿过3千米的隧道,位于实验厅里的中微子探测器正静静“坐”在深蓝色的超纯水中,睁大“眼睛”紧紧盯着来自核反应堆的中微子。

2012年3月8日,大亚湾实验拔得头筹:发现了第三种中微子振荡模式并精确测量到其振荡概率。这一成果入选《科学》杂志评选的“2012年度十大科学突破”,并被美国同行誉为“中国有史以来最重要的物理学成果”。

“韩国科学家的结果只比我们晚了25天。”王贻芳回忆。

截至目前,大亚湾实验已经收获了累累硕果,首次报道测量θ13的文章被引用上千次,成为高能物理研究的经典文献之一。

继续探索未解之谜:要站到世界最前沿

自然科学奖以关注基础研究、强调原始创新著称,一等奖更是象征着我国基础研究领域的自主创新能力。

如果把大亚湾实验比喻为载人航天,那么接下来应该就是载人登月和深空探索。航天领域有这样步步发展的战略规划,在中微子领域,我国科学家又有何规划呢?

王贻芳说,大亚湾实验的成功使我国的中微子物理研究向前迈出了一大步,继续探索中微子未解之谜,将是我国相关研究实现跨越式发展和全面领先的机遇。

比如,反物质去了哪里?科学家在研究宇宙的过程中,始终未能找到答案,有人甚至称其为宇宙最大谜团之一。在目前的科学研究中,中微子最有可能解释反物质消失之谜。继测出θ13之后,如果再测量出一个名为“CP破坏”的数值,科学家或许就此能打开一扇封闭了亿万年的大门。

王贻芳说,中国在中微子领域的研究从无到有走过了十几年。如果说大亚湾实验测到的θ13是起步的话,那么正在建设的江门中微子实验很有希望确定中微子的质量顺序从而实现跨越。未来建造所有高能物理学家的梦想--高能粒子加速器并测量CP破坏,将达到国际领先水平。“一旦走完这条不寻常的路,中国必将在中微子研究领域站在世界的最前沿。”

人类数千年仰望星空,窥得行星运动的奥秘,谁能想到最终成为我们修盖高楼大厦、制造飞机汽车、发射飞船卫星的根本?

“今天的科学,将是明天的技术。”王贻芳说,这是一幅漫长的路线图,是对过去成功经验的信心,是对现在新的科学目标的承诺,更是对未来广阔前景的展望。