中微子獵手

鞠強

2012年3月8日，曹俊所在的大亞灣反應堆中微子實驗團隊召開新聞發(fā)布會，宣布關于中微子研究的重大發(fā)現(xiàn)。這時距離當年春節(jié)過去僅一個多月的時間，為了這一發(fā)現(xiàn)，團隊成員過年都沒有回家。“當時特別緊張，我們想要趕在其他國家團隊之前得出結果。大家加班加點處理實驗數據，春節(jié)都沒回家過年。除夕時候，我請他們吃了年夜飯。”盡管已經過去7年多，提起當時的情況，曹俊還記憶猶新。

中微子是粒子世界的“幽靈”，不帶電，質量小，無處不在卻又極難觀察。曹俊是國內最早倡導并開展中微子實驗的物理學家之一。2003年之前，他在美國費米實驗室參與中微子研究，那時國內研究中微子的物理學家鳳毛麟角，更沒有相關的實驗。偶然的機會，他和中科院高能物理研究所現(xiàn)任所長王貽芳院士就未來的中微子實驗進行了幾次交流，盡管立項前景不明，但覺得科學上非常誘人，于是決定回國面試相關的崗位。“那時候簽證很困難，覺得有可能回不了美國了，所以帶了一半行李回國，面試成功之后，因為籌備實驗非常忙，我果然沒有再回去”。曹俊就這樣成為大亞灣中微子實驗團隊最早的成員之一。

“1988年以來，中微子相關研究已經4次獲得諾貝爾物理學獎，可見其重要性。”曹俊為我們講解道。粒子物理標準模型是20世紀物理學最重要的成就之一，在絕大多數情況下，理論預言與實驗結果都驚人一致，但是這個模型不能解釋暗物質和暗能量，也不能解釋中微子質量，因此物理學家不得不去尋找標準模型之外的“新物理”，從而完善對世界的描述。在未知的重重迷霧中，中微子也許是他們最重要的線索。

曹俊在中科院高能物理所的光電倍增管實驗室。光電倍增管能將極微弱的光信號轉換成電信號輸出，并獲得驚人的電子倍增能力。江門實驗使用的光電倍增管全部由中國生產。

自然界中已知存在3種中微子，彼此之間可以轉化，這被稱作中微子振蕩，是標準模型無法解釋的奇異現(xiàn)象。中微子振蕩中，有3個叫做混合角的重要參數，對前2個參數的測量都獲得了諾貝爾獎，因此測量第3個參數成為很多實驗團隊的目標，包括曹俊所在的大亞灣團隊。

2011年12月24日，大亞灣實驗的探測器開始取數。在這樣一個探測器建在中國、以中美兩國為主的多國粒子物理合作項目里，整個團隊都處在既合作又競爭的良性狀態(tài)中。因為是國內第一次開展大型中微子實驗，中方團隊無先例可循，只能本著“遇山開路、遇水架橋”的態(tài)度，逐個攻克難關。“團隊每個人都很拼，心里卯著勁呢！”

終于，大亞灣率先發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式（對應第3個混合角）并精確測量了振蕩概率。這不僅是測得了中微子物理中一個重要的參數，還將直接決定下一代中微子實驗研究的設計思路和發(fā)展方向，因此得到國際物理學界的高度評價。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子讓歐洲核子研究中心的大型強子對撞機名聲大噪，也讓大型高能物理實驗設施走進公眾的視野。“粒子物理實驗從提出設想、設計建造再到運行并產出成果，往往需要一個漫長的周期，”曹俊說，“從事粒子物理研究的實驗物理學家，在科研生涯的黃金期只能投入到一兩項實驗中。”他們既不能盲目行動，又要有遠見卓識。

2008年，大亞灣實驗剛剛啟動建設不久，曹俊等人就已經開始為未來進行謀劃，提出了江門中微子實驗。這個實驗是大亞灣實驗的升級版，不僅有望確定中微子質量順序，對中微子的幾個關鍵參數進行更加精確的測量，深化對中微子的理解，甚至有可能發(fā)現(xiàn)宇宙起源中反物質消失之謎的“鑰匙”。

江門中微子實驗目前已在基建施工中，計劃在2021年底完成探測器建造，再用約6年的時間完成關鍵的數據收集工作，那時距離提出設想整整20年。20年是實驗物理學家的黃金期，但與宇宙138億年的歷史相比，只是微不足道的一瞬間。以“瞬間”去探索“永恒”，為理解看似不可理解的宇宙創(chuàng)造可能，也許就是曹俊這樣的實驗物理學家送給人類的最大奇跡。

曹俊粒子物理學家，中國科學院高能物理研究所研究員，研究方向為中微子物理和中微子探測技術。