带你认识“幽灵粒子”--中微子

带你认识“幽灵粒子”--中微子

宇宙大爆炸时，在第一秒钟内就产生了无数的中微子。这些中微子却是基本粒子中人类了解最少的，它们就像飘散在空间中的“幽灵”，没有人知道它们如何在空间中存在。

科学家一直在努力寻找它们。18年前专家回国，同国内的科学家一起推动我国的中微子实验研究，实现从无到有，走到世界前列。

捕捉“幽灵粒子”，关键要有大的科学装置。中国到底应不应该建大型粒子对撞机？这个问题，曾引发物理界的大讨论。杨振宁、丘成桐等物理学家围绕建大型对撞机是否必要、300多亿元人民币的预算是否太高、技术方案是否可行等展开过激烈辩论，可谓针尖对麦芒。

作为大型环形正负电子对撞机（CEPC）的主要提出者和推动者，专家坚称，“开建大型对撞机，是中国在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。”

对撞机有什么用？专家解释，它可以将两束电性相反的带电粒子加速到很高的能量，然后让粒子迎头相撞，继而产生希格斯粒子。通俗点说，有了加速器，将方便科学家理解神秘的希格斯粒子，探索宇宙早期演化等一系列未解的物理规律。

但到底要不要建，国内的争议还在持续。今年1月，欧洲核子研究中心公布了环形对撞机（FCC）的《概念设计报告》，他们计划投巨资分两步建超级对撞机。“我们和欧洲的方案都准备建周长100公里的环形轨道，走先电子对撞、后质子对撞的技术路线，这也验证了我们方案的正确性和可行性。”专家说。

专家的立场来源于20多年对粒子物理学的研究。

1984年，专家从南京大学物理系毕业，正赶上著名物理学家丁肇中招收高能物理研究生，系里推荐了专家参加。顺利通过考核的专家，毕业后赴欧洲核子中心开始参与丁肇中领导的高能正负电子对撞机的物理实验。

从意大利佛罗伦萨到瑞士日内瓦，专家在丁肇中的指导下度过了从研究生到博士后的11年，在正负电子对撞的研究上积累了经验。

专家是个喜欢挑战的人。1996年，他开始关注许多科学家在捕捉的中微子。

什么是中微子？专家打了个比方，就像盖房子需要砖，基本粒子就像是构成物质世界的砖块。砖块一共12种，其中3种就是被称为“幽灵粒子”的中微子。“宇宙大爆炸时，在第一秒钟内就产生了无数的中微子。它是基本粒子中人类了解最少的一个，也是破译宇宙起源与演化密码最重要的钥匙之一。通过研究中微子，才能知道宇宙是如何形成的。”

1996年，专家加入了国外一个中微子实验项目，并成为小组的骨干成员。

中微子是一种不带电的，可以轻易穿过地球的小粒子，它在飞行过程中还会不断变身，犹如川剧的“变脸”——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，3种中微子之间可以发生三种振荡。这在物理学的术语里，被称为中微子振荡。

那时候，包括专家所在实验组在内的许多实验组都在寻找中微子振荡。

专家这一待又是5年，直到中微子振荡被别人抢先发现了。虽有遗憾，但他迎来了另一个机会。

2001年，专家接到中科院高能所的邀请。那时候，国家科教领导小组审议并原则通过了中国科学院提交的《我国高能物理和先进加速器发展目标》，确定了中国高能物理和先进加速器的发展战略。

“这意味着，我们国家的高能物理研究将进入一个新的发展阶段。我要回国!做一个自己的中微子实验。”随后，专家做通了家人的工作后，回国加入中科院高能所。

虽然当时国内科研环境和条件比自己出国时已有很大进步，但专家发现，推进中微子的研究没有想象中那么容易，最关键的是，没有合适的团队。

机缘巧合，专家决定，暂时放下中微子，投入北京正负电子对撞机的重大改造项目中。随后，他担任起大型粒子探测器第三代北京谱仪分总体的主任，全面负责装置的设计、研制、调试和运行工作。

北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基础设施。虽然上世纪80年代我国就建成了北京正负电子对撞机，但这次改造可以说是第一次自主设计如此大型、复杂的科学装置。

完全自主创新，就意味着全部从零开始，从系统原理、物理目标、设计思想起，一步步开始。

作为第三代北京谱仪的关键部件之一，超导磁铁的研制至关重要。由于测量电子对撞产物需要很强的磁场，一般需要通过加大电磁铁线圈缠绕圈数、加大电磁铁电流等得到强磁场，但过多缠绕线圈又会导致磁铁体积过大、温度过高等。如果有了超导磁铁，超导磁铁就可以利用导体在一定温度条件下电阻为零的现象，给磁铁中加入强电流，从而得到强磁场。

可国内从未做过这么大的超导磁体，高能所的经验几乎为零。

一家公司找来，希望承包这项研究。为了少走弯路，按时完成任务，专家和他们谈成了一个特殊的条件，“让他们参与，但只能在高能所进行，由我们的人参与研制。相当于我们多花不到5%的钱，请他们带着我们的技术人员研究。”专家说。

超导磁铁有一个特殊的问题——无法做中间试验。“几千万元的东西全部做完，通上电测试，成就成，不成就毁了，钱也就打水漂了，风险巨大。”当时，专家每天提心吊胆，下班前总会去转一圈看一看。

缠绕线圈时，对线缠绕预应力、内部洁净度等要求很高。技术团队24小时不停地钻进磁铁内缠绕、刷低温胶，整整干了3个月。技术团队采用了一种特殊的低温环氧胶，这种低温胶渗透力很强，技术人员虽然戴着橡胶防护手套，但手上还是脱了皮，后来通过通风除汗、橡胶加棉手套双层保护，这一问题才得以解决。

经过3年多的努力，磁铁总算装起来了，但还是出了问题，低温系统不能正常工作。经过修改，还是没有效果。那家公司选择退出，剩下专家带领团队“孤军奋战”。整整半年，他们通过仔细分析，准确找出了问题所在，于是每天加班加点进行改造，终于将温度降到零下270℃左右，实现了超导。

最终，这个直径3.4米、长度4米、电流3000多安培、最大储能达到1000万焦耳的超导磁铁，各项指标达到设计要求，而它的价格还不到国外的三分之一。

除了大型超导磁铁，专家带领的第三代北京谱仪还在漂移室、阻性板探测器、晶体量能器、铍束流管等研制上实现技术突破，达到国际领先水平。

“后来才意识到，其实这是一个重要的锻炼机会，通过这个项目培养出了一支能干的科研团队，不然也不会有后面的大亚湾实验了。”专家的内心，并没有放下中微子。

2002年，国外通过实验确认了中微子振荡的存在，寻找第三种振荡模式成为中微子研究的新热点。2003年，专家决定行动起来，他提出，在大亚湾附近的山体内建造中微子探测器。

心之所向，行之所往。

从提出想法到项目组正式成立，专家花了3年时间。首先是人才问题，靠着第三代北京谱仪项目，专家召集了一批国内优秀科学家。而国外也看中了这个大型实验的科学潜力，美国、俄罗斯等国家和地区的上百位研究人员也参加了项目组。由专家为代表的中国科学家在国内开辟了国际实验合作模式，并掌握了实验的主导权。

还有一个问题是经费。经过专家多方奔走，最终国家有关部门、地方政府、企业与国外科研机构共同出资，支持力度在当时也是空前的。

2006年，大亚湾中微子实验项目组成立。第二年10月，该项目正式动工。

选址经过了多番考虑。大亚湾核电基地有6台百万千瓦的核电机组，可以为实验提供源源不断的中微子。