2012年3月8日,中国科学院高能物理研究所所长王贻芳代表大亚湾中微子研究团队宣布,发现中微子第三种振荡模式,被称为“中微子研究道路上的里程碑”。然而王贻芳和他的团队显然并不止步于此:正在建设的江门中微子实验基地将自主研制更大的探测器并预计于2020年建成开始运行,届时中微子的质量顺序有望在实验中测出,成为中微子研究的下一个重大突破。
实际上,几十年来包括美国、欧洲、日本、中国,都在试图寻找中微子并弄清它精灵古怪的“脾气”。科学家相信,中微子的深入研究将揭示宇宙演化的重大问题,比如为什么我们的宇宙只大部分是物质而不是反物质等。
这并不容易。虽然时时刻刻都有中微子像无数的流星一样划过天际,穿越我们的地球和身体,但它们非常轻,而且调皮,难以抓住。中微子还有三种“味道”,即电子中微子νe,缪中微子νμ,陶中微子ντ,要搞清楚“三种味道如何混合”,每种中微子的绝对质量多少,以及更多的相关问题,难度可想而知。
然而在王贻芳看来,中微子研究虽然难度大,但中国有自己的优势,不管是团队还是技术在某些方面都有冲刺世界第一的实力。不过他进一步表示,虽然中国在中微子研究方面取得了一定的成绩,但总体来说,中国的大科学研究包括高能物理研究还存在前瞻性不够、轻重不协调、资助体制不合理等问题,尚需要建立更好的顶层规划及完善支持大科学研究的体制机制。
王贻芳院士,摄于大亚湾中微子实验站(中科院高能所供图)
中微子研究的下一步
NSR:众所周知,中微子研究是高能物理和天体物理都很关注的热门领域,历史上也4次获颁诺贝尔奖,您能否简单介绍一下其中的原因?
王贻芳:从泡利1930年提出存在中微子的假说,迄今有近86年。从首次探测到中微子算起,也有60年历史。中微子之所以很热门,是因为它涉及的问题极为根本,牵涉人类对宇宙的根本认识,中微子影响着宇宙的形成与演化。比如说,中微子振荡的电荷-宇称不对称性很可能是宇宙中物质-反物质不对称性的起源;而且由于中微子几乎不与物质相互作用,穿透能力强,是独一无二的研究天体内部的探针。
NSR:中国在中微子研究方面取得了不俗的成绩,从实验方案和目标选择上有什么特殊的考虑呢?距离大亚湾实验宣布中微子第三种振荡模式已经4年了,江门实验也在筹建,下一步的实验目标是什么?
王贻芳:一般来说,研究中微子的路径大概有利用太阳中微子、大气中微子、反应堆中微子、或加速器中微子等四种。大亚湾中微子实验实际是利用核反应堆来探测中微子,主要原因有二:一是太阳中微子和大气中微子研究方面已经做了很精彩的工作,确定了中微子振荡六个参数中的三个半,其中太阳中微子振荡确定了sin22θ12~0.86和Δm221~ 7.5x10-5eV2,大气中微子振荡确定了sin22θ23~1和|Δm232|~ 2.5x10-3eV2(没有确定其符号,算半个参数),剩下的两个半参数包括混合角θ13、|Δm232|的符号(中微子的质量顺序)以及CP破坏相角δ,我们预计θ13可以在反应堆产生的中微子振荡中被精确测出来,因而向这个方向努力;二是大亚湾核电站的天然优势,不仅核反应堆功率大,而且核电站周围有山屏蔽,为去除本底提供了便利。
大亚湾实验从2007年动工,2011年逐步完成探测器的安装,随后在短短的55天测出sin22θ13为9.2%,超出了预期,而且sin22θ13>0.01表明用现有技术就可以测量质量顺序和CP破坏。
因此,很自然我们希望能够在接下来的江门实验中解决中微子质量顺序的问题。正在我国广东省江门市建造的江门(JUNO)实验将利用两万吨的液闪探测器在距核反应堆53千米处精确测量反应堆中微子的能谱,从而推断出中微子的质量顺序。
NSR:这算是半个参数?
王贻芳:对,确定到底是m3>m2还是m3<m2,另外我们希望到2030年左右把江门实验改造为能验证中微子是否为其自身反粒子的实验,主要是通过寻找无中微子的双贝塔衰变反应。这个实验花钱也不是很多,但具有国际竞争力。
NSR:那中微子振荡的另一个参数CP破坏相角δ江门实验会测量吗?
王贻芳:不会。CP破坏相角目前是日本和美国在测量,这样的实验同时需要中微子和反中微子两种源,只有加速器才能实现,但建造加速器非常昂贵,我们目前没有什么优势,暂时不做。
NSR:除了上述提到的中微子振荡参数问题,中微子研究还有哪些比较重要的挑战?
王贻芳:还有好几个问题没有解决。比如说中微子的绝对质量是多少?惰性中微子是否存在?中微子究竟是狄拉克粒子还是马约拉纳粒子?还可以利用中微子作为探针去研究宇宙起源和演化过程等等。
大亚湾实验中微子探测器(中科院高能所供图)
NSR:实际上,除了中微子,高能物理也有很多热门的方向,中国该如何选择?是应该分散资助不同的项目还是集中力量来突破优势方向?
王贻芳:在高能物理领域,有各种各样不同的课题,但最后选择什么样的课题来做是一件很复杂的事情。我个人认为,选择方向跟资助资金、技术积累和人才储备有密切关系,如果我们有优势我们可以自己来牵头、主导,比如大亚湾项目,如果没有的话可以加入国际的大科学研究计划。
NSR:我们自己牵头具体表现在什么方面?
王贻芳:“牵头”有两个意思:一个是项目团队的主要负责人由我们担任,另一个含义是指在实际工作中,项目的想法和设计由我们提出,我们能够掌控项目进程,掌握核心的研究方法和技术。从上个世纪70年代北京正负电子对撞机开始,中国境内的大科学项目都是由我们的科学家来牵头和主导的,本世纪的大亚湾实验和筹建的江门实验也由高能所来主导。
NSR:这些项目的国际参与度如何?
王贻芳:一般来说,大科学计划尤其是高能物理领域的研究项目都是多国合作的。北京正负电子对撞机、大亚湾实验以及江门实验都有国际参与。北京电子对撞机一开始是美国帮助建设的,建成以后美国就关闭了自己国内的加速器,因为我们对撞机的指标已经达到当时世界的最好水平,美国的科学家就到中国来参加我们的实验。北京正负电子对撞机于2002年再次升级,2008年重新投入运行,到目前为止已经运行超过30年。
也正是这30年的积累,使得我们有能力来牵头并主导大亚湾实验和后续的江门实验。大亚湾实验美国出资30%,江门实验由于他们有自己的中微子实验所以没有继续投入,改由欧洲出资。整体来看,江门实验的国际出资比例大概达到了20%。
NSR:在出资比例上,国际有什么惯例吗?
王贻芳:很难说有统一的惯例。比如大型强子对撞机,欧洲出资80%,美国和日本一共出资20%,项目主要由欧洲来主导,被认为是合作成功的典范。相比之下,国际热核聚变实验堆(ITER)有35个国家参与,却一直磕磕绊绊。ITER项目欧洲出资45%,包括美、日、韩、俄罗斯及中国在内的其他国家出资55%,由于出资比例均衡,没有形成优势明显的项目牵头和主导方,导致项目陷入反复的会议商讨中,天天忙于投票,却不能有效推动进程,应该说是一个失败的例子。所以说一个项目的主导国家应该承担项目的基础设施建设费用,出资比例一般应该超过50%。我个人认为,80%,20%是一个比较合适的出资比例,70%和30%也可以,低于这个比例就比较难了。
NSR:中微子研究是中国主导的一个成功案例,但毕竟是少数。最近引力波的重大发现也引起了中国社会的广泛关注,有关引力波的项目也纷纷露出水面,您怎么看?
王贻芳:老实说,这次引力波的探测项目中国的参与度比较低,没有进入核心的设计和技术研发,只有清华大学的两个学者参与了数据处理。
至于为什么中国的引力波项目在国外取得重大突破后才“纷纷抬头”,我认为是国内对于像引力波探测这样的大科学计划还是没有整体的布局和顶层规划,同时对自身研究队伍的优势和劣势没有充分认识,而且对研究失败容忍度不够高,导致我们的“跟风”式科研。高能物理的研究布局通常都要规划10年甚至更长时间,对于引力波而言,中国到底要不要做,是参与国外项目,还是要自己做;自己做是做地面探测还是做空中探测,以及我们有什么样的技术积累和团队等问题都需要厘清。
NSR:除了中微子外,暗物质和暗能量的研究也很热,国内布局如何,也有这样的问题吗?
王贻芳:国内有很多人在做暗物质研究,相似的项目投了好几个,比较分散,没有形成合力,暗能量研究国内的投入很少。
我们认为暗物质确实是存在的,但如何去寻找还有待商榷。我们知道自然界一共有四种作用力:引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用以及弱相互作用。提出暗物质的存在是因为它的引力效应,但无法通过引力直接探测,要通过假设它参加弱相互作用来探测。实际上,现在的实验设计如果没有这个假设,以及其密度和数量是可以探测到,实验就没有办法进行。
世界范围内科学家为了寻找暗物质不断提高探测器的灵敏度,过去的十几年间探测器灵敏度已经提高了10个量级,但仍然没有找到暗物质的确切证据,如果灵敏度再提高下去,那可能就会达到中微子背景的极限,也就是说看到的都是中微子形成的背景信号,而非要寻找的暗物质了。
NSR:丁肇中的暗物质探测器AMS风险是否会小一些?
王贻芳:丁肇中的实验也是基于暗物质的弱相互作用,通过观测正、反暗物质粒子湮灭产生的γ光子及正电子来验证暗物质存在。到目前为止许多实验已经把低能区排除掉了,需要不断往高能区搜索,但高能区暗物质的密度会低得多。
NSR:丁肇中的实验曾经说发现了一些暗物质的迹象。
王贻芳:对,AMS在410亿个初级宇宙射线中,共观测到约1000万个电子与正电子,这是迄今为止最精确的太空电子和正电子能谱测量,而正电子能谱是识别暗物质的重要指标。丁肇中曾表示,AMS已确认暗物质5个特征中的4个,还有最后一个特征有待确认。
NSR:最后一个特征是什么?
王贻芳:是看正电子能谱在高能端是否会有一个骤降,如果有,说明它是暗物质粒子湮灭产生的。但这需要很长的时间。当然,丁肇中对同行是这样解释AMS实验的:我们有可见光、红外、射电等各种各样的望远镜,但我们很少有探测带电粒子的望远镜,AMS是世界上第一个高精度的,值得发射到天上看看结果如何。这个立场和研究理念当然是站得住脚的,AMS如果能够找到暗物质最好,没有找到也有它自身重要的科学意义。
江门实验地图(中科院高能所供图)
NSR:很多人认为高能物理是阳春白雪,花费巨大,而且风险也很高,不如将经费投在小科学、小团队上,您怎么看?
王贻芳:其实中国高能物理项目的支持政策并不完善,而且力度也不像很多人想象的那么大,尤其是年人均经费并不比其他领域高。如果问我中国到底要不要发展高能物理,要不要大科学研究计划,我的回答是一定要,高能物理研究不仅是科学探索,为全世界的科学发展做贡献,也会带动本国产业的核心技术进步,为产业发展提供基础。
北京正负电子对撞机在升级的时候需要用到超导设备,但之前我们从来没有做过,当时也考虑过是否从国外买,做了招标。竞标的时候,日本公司给我们的价格是6000万元人民币,加上附加设备可能要到7000-8000万元人民币,但我们的预算根本没有这么多,怎么办?最后被“逼上梁山”,自己去设计、制造,2000万成功啃下了这块硬骨头。超导设备的自主研制,成功将研究所的技术转化到工业界,还带动了民用核磁共振设备的研发和生产。
王贻芳:我觉得关键在于我们做的研究是否是世界上最先进的,如果是,年轻人能够看得到,也会愿意留下来。大亚湾中微子实验中培养的年轻人有大约90%都留下来了,就是因为我们处于领先的地位。
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