中国科技2020|探寻宇宙起源 中微子科研的中日美竞合格局

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【导语】2020年年终的中共中央经济工作会议上,中国政府为2021年发展重点部署八大任务。这场中共高层官员的工作会议,不仅将“强化国家战略科技力量”列为下一年经济发展首要任务,且坦言要通过举国体制优势发展高科技,“尽快解决一批‘卡脖子’问题”。显然,在高科技领域的全球竞争中,中国要提高自己的话语权。回看2020年,中国在探月工程、火星探测、卫星导航、载人深潜、量子研究、数据库技术替代、核聚变技术国际参与以及中微子实验和芯片制造等领域,均有亮眼表现或国家战略部署。这些领域的科技研究,对应着怎样的现实意义?中国的竞争优势和现实挑战格局如何?下一步的发展方向又在哪里?

对中微子的科研一边连接着宇宙演变之谜,另一边意味着超科技应用的革命性演进,中国的大亚湾中微子实验使得中国在中微子领域的研究从无到有,甚至跻身国际先进行列。图为大亚湾中微子实验首席科学家王贻芳在大亚湾反应堆中微子实验室内。( 新华社发)

就在“嫦娥五号”探月工程为国际所关注的同时,世界领域内另一高科技——中微子的工程研究在中国有了新动态。北京时间12月12日,经过4年酝酿、4年建设和9年运行共17年历程的大亚湾反应堆中微子试验,发现第三种中微子震荡模式等一系列重要的中微子研究成果后正式退役。下一步,中国中微子研究的重心将转移到广东江门,这个大约将于一年后建成的地下装置——全世界最大的液体闪烁体中微子探测器——江门中微子实验(JUNO),将通过对多种来源的中微子的检测,解答一系列基本问题:3种已知中微子的质量谁大谁小?宇宙中中微子的总质量是多少,它们如何影响宇宙形成和星系分布?地球内部还有多少化学能量在驱动地球运转?

送出五座诺奖的“中微子”

中微子的发现和研究,听起来是一个非常高科技、非常有国家战略意义、甚至事关人类乃至宇宙概念的科学问题。事实也确实如此,从1956年至今,中微子研究领域已经产生了五位诺贝尔奖获得者:

1956年,美国科学家莱因斯(F. Reines)和柯温(C. Cowan)利用核反应堆实验首次测到为数不多的中微子。莱因斯因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

1962年,莱德曼(Leon Lederman)、舒瓦茨(Melvin Schwartz)、斯坦伯格(Jack Steinberger)在美国布鲁克海文实验室利用质子加速器发现了第二种中微子μ中微子。他们因此获得了1988年的诺贝尔物理学奖。后来人们证实总共有三种中微子。

1968年,戴维斯(Raymond Davis)等人首次发现探测到的太阳中微子比预期少,此后进一步测量证实仅为1/3,被称为“太阳中微子丢失之谜”。1987年,日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)领导的神冈实验(SK)探测到超新星1987A爆发产生的中微子。戴维斯和小柴昌俊因为对太阳中微子和超新星中微子的研究,同时获得了2002年诺贝尔物理学奖。

1987年日本物理学家小柴昌俊领衔的日本神冈实验观测到来自超新星的中微子,这是人类首次探测到来自太阳系以外的中微子,小柴昌俊以此发现将2002年诺贝尔物理学奖纳入囊中。(Getty)

长期以来,太阳中微子丢失之谜和大气中微子反常现象,一直困扰着物理学家们。直到1998年,日本的超级神冈实验以确凿证据证实大气中微子的丢失是因为中微子发生了振荡,这表明中微子具有质量。 2001年,SNO实验证实丢失的太阳中微子转化为其它两种中微子。日本的梶田隆章(Kajita Takaaki)和加拿大的麦克唐纳(Arthur Bruce McDonald)因发现中微子振荡现象获得了2015年的诺贝尔物理学奖。

即便如此介绍,对于非专业人群来说,要理解中微子是一个怎样的概念仍然是一个“烧脑”的问题。有报道称“中微子是构成物质世界最基本却也最神秘的粒子之一,蕴藏着宇宙的诸多奥秘。”也有媒体引述其“中微子是亚原子粒子家族中的奇葩。它们无处不在,从太阳、深空和地球涌入,飞快地穿过我们的身体,每秒达上万亿个。这些粒子是如此微小,以至于它们很少与任何东西发生相互作用,这使得它们极其难以捉摸,难以研究。”总归它是一个无处不在、却是令普通人无法察觉的一个庞大的微观存在。而科学家们相信,中微子这些奇怪的行为可能会带来启示,洞察宇宙的历史和物理学的未来。

回到本文开头提及的江门中微子实验,这个于2008年提出、经过近6年开挖,位于广东江门连绵起伏的山丘的实验装置,有超过650名科学家在为其工作。它与日本的“顶级神冈”实验(Hyper-K)和美国的“沙丘中微子实验”(DUNE)齐名。江门中微子实验利用附近的两座核电站作为中微子源,目标是更多地了解这些粒子。

今年底或2021年初,江门中微子实验的研究人员将开始组装13层楼高的球形探测器。探测器将被4.3万个用来探测光的光电管覆盖,并灌满2万吨专门配制的液体。在地下700米处,电子型反中微子(核反应堆产生的中微子类型)以微乎其微的几率撞上质子,并在液体中引发反应,从而产生相隔不到一毫秒的两道闪光。“这个小小的‘巧合’就被看成是一个反应堆中微子信号。”

中微子研究 中国后来居上

尽管不像美日等国先后捧回诺奖,中国在这一领域的研究实际也早有触及,甚至可以说是后来居上。在中微子领域的首个诺奖之前,1941年中国科学家王淦昌就曾提出利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案,次年美国物理学家用此方法通过实验间接证实了中微子的存在。不过中国对中微子的主导性研究还要推迟到2006年大亚湾中微子实验的正式立项。

大亚湾中微子实验不仅使中国的中微子研究从无到有,还因2012年3月的中微子震荡的新模式等研究发现,一举跨入国际先进行列。

2012年12月中退役的大亚湾中微子实验将中国对中微子的研究跻身国际先进队列的之时,也培养了一批该领域的研究人才,并做好了与第二代中微子实验装置江门实验的交接。将于2022年投入的江门中微子实验目标是更多地了解中微子,以回答一个基本问题:三种已知中微子的质量谁大谁小?费米国家加速器实验室的理论物理学家约瑟夫·利肯(Joseph Lykken)说,中微子质量顺序是研究人员需要确定的一个关键参数。这个答案可以帮助科学家更好地估计宇宙中中微子的总质量,并确定它们是如何影响宇宙形成和星系分布的。此外,江门中微子实验还可以捕捉到地球中微子。参与江门实验的马里兰大学的地质学家威廉·麦克唐纳(William McDonough)说,研究地球中微子是了解地球内部还有多少化学能量来驱动我们的星球的唯一有效方法,“日本、欧洲和加拿大现有的所有探测器加起来每年能看到大约20个地球中微子,而将来江门实验每年能探测到400多个。”

被认为中微子下一代探测器的另外两大探测器是日本的“顶级神冈”(Hyper-K)和美国的“沙丘”实验。顶级神冈是日本现有两次获得诺奖的“超级神冈”探测器的“继任者”,能探测宇宙射线、太阳、超新星和粒子加速器等各种来源产生的海量中微子。它将用于研究中微子与反中微子的行为差异,以解释为什么宇宙看似由物质主导,这一探测器预计于2027年开始收集数据。日本科学界期待这一探测器能再次带来诺贝尔奖级的成果。

由美国费米实验室主持建设运行,预计将于2025年启用的“沙丘”实验将研究中微子的性质并寻找新物理学,同时等待超新星中微子的到来。“沙丘”实验安装有全世界最强的中微子源与两个中微子探头,这能够以最高精度测量中微子质量顺序。此外,“沙丘”实验也将研究目标对准中微子与其反粒子行为差异。

对于当前这三大中微子试探探测器而言,中国江门中微子实验的研究者曹俊称三个实验间既竞争又互补,联合分析能显著提高发现能力。美国“沙丘”实验的物理学家也坦言“江门实验在中微子质量顺序上的结果,将帮助沙丘实验对CP破坏进行最有效的发现和测量。” 事实上,在中微子的研究领域,即使是国家主导的实验项目也常见国际合作的色彩。例如中国江门中微子实验其中近一半是中国以外的科学家,再如日本的顶级神冈项目,除日本政府拨付费用外,美国、英国等其他一些参与研究的国家也将出资。在中微子研究领域,正呈现出一种竞争和合作同时存在的有趣格局。

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