中微子獵手——曹俊

2021-02-21 中科院高能所

■ 科普中國-科技名家風採錄

在接觸實驗物理之前,沒想過會為它魂牽夢縈;在接觸到實驗物理之後,竟已難捨難分。他,就是中科院高能物理研究所研究員——曹俊。

 

曹俊,1972年出生於湖南省。1993年在武漢大學獲物理專業學士學位,1998年在中科院高能物理研究所獲理論物理專業博士學位。

1998年,曹俊獲博士學位後,先後前往法國國家科研中心直線加速器實驗室、美國密西根大學繼續深造,於2004年回到中國科學院高能物理研究所工作,從事大亞灣反應堆中微子實驗研究,同年入選中國科學院「百人計劃」;2012年獲「國家傑出青年基金」,開始擔任大亞灣中微子實驗國際合作組共同發言人;2013年,榮獲亞太物理學會「楊振寧獎」和中國科學院傑出科技成就獎。

年輕時,曹俊曾立志做一個像霍金一樣純正的理論物理學家,夢想能夠站在數學和物理的塔尖上。後來,他卻與實驗物理結緣。

2004年,當時還在美國費米實驗室的曹俊,應現任中科院高能物理研究所所長王貽芳之邀回國,在大亞灣核電站旁邊的一座花崗巖的小山上,籌備一個尋找θ13的實驗。這就是大亞灣反應堆中微子實驗,曹俊先後負責實驗設計和中心探測器設計工作,完成了實驗數據分析工作。

中微子是在宇宙大爆炸時期產生的最多的粒子之一,它們是基本粒子中的「隱士」,最大的特徵就是變幻莫測,難以測量。在這個粒子還只是個「猜測」的時候,它的預言者、奧地利物理學家泡利曾認為自己的想法很荒謬,一個很小、不帶電、幾乎測不到的粒子,這聽上去像皇帝的新裝。

中微子分三種:電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們可以經過「振蕩」由一種類型變成另一種。3種振蕩的量化描述是θ12、θ23和θ13,其中,θ12和θ23的大小已通過大氣中微子和太陽中微子實驗中測到。

從陽光燦爛的海濱到鑽入黑暗的山洞。全長3000多米的大亞灣排牙山隧道,3個相連的像電影廳一樣大小的地下實驗室中,分布著8個中微子探測器。每個探測器是直徑5米、高5米的圓柱,它們有著不鏽鋼的外殼,內裝透明的液體閃爍體。

 

 

就是在這裡,在與「隱身粒子」較量1600多個日日夜夜後,2012年3月8日,曹俊所在的大亞灣中微子實驗國際合作組公布了用θ13描述的第三種振蕩大小為0.092,誤差是0.017,這是在中國本土首次測量到的基本物理學參數。

回憶當時的過程,曹俊這樣說:「在科學研究裡,這不是一天兩天的事。我們剛開始發現可能有跡象,然而所有人都不信,我們自己也不信,因為分析很粗糙,很有可能出錯,但是大家互相驗證後,開始慢慢相信,這大概有兩三個月的過程。剛過了一個多月時,我們基本上確信振蕩是存在的,但要把這個數值做精確,需要用不同的辦法反覆檢驗,要經過很長的過程。」據他透露,雖然是3月8號正式對外公布發現了第三種振蕩,但實際上確定這個振蕩結果,包括寫出文章互相對比,又花了幾個星期時間。

這一科學成果在國際高能物理界引起強烈反響,李政道發來賀電:這是物理學一個有基礎重要性的成就。《科學》雜誌網站也評價道:「中國有史以來最重要的物理學成果」。2012年4月27日,論文《大亞灣發現電子反中微子消失》在美國《物理評論快報》正式發表,通訊作者是中科院高能所的研究員曹俊。

2007年剛開始大亞灣建設時,曹俊負責研製中心探測器。2009年,所長王貽芳讓曹俊回來負責實驗數據分析工作。「當時,國內沒有做中微子研究的基礎,我們團隊裡的年輕人,從學生起都沒有見過中微子數據,因而在研究過程中分析時間較長。所以從2009年開始,我組織訓練年輕人做分析。因為起初沒有數據,我們就花了很大精力做了一個假的數據,讓大家練手。所以我才說,我們取數的第一天,去找第一個中微子的時候,這些分析工具都已經準備好了。」

繼大亞灣反應堆中微子實驗後,曹俊所在的科學家團隊如今又在籌建下一代中微子實驗裝置——江門中微子試驗,他們,想要對浩瀚的未知世界進行終極探索;他們,想要解開中微子的大量謎團;他們,想要竭盡全力為人類認識物質世界開闢道路。

 

做學問如同建築,最重要的是有堅固的地基。曹俊在自己的科研生涯中,重視基礎研究,他認為,基礎研究從某種角度上來說是人類對未來的投資。「科學研究的原動力就是理解自然、理解宇宙,我們不能說追求它的實用價值,比如我們剛開始發現電的時候不知道是怎麼回事,剛發現引力的時候也不知道怎麼回事,後來我們發現是可以利用它的,最終對人類的生活文化會產生巨大的影響。」

曹俊曾經寫過這樣一句話:「400年前,丹麥科學家第谷仰望星空30年,積累了大量的天文數據,由他的弟子總結成克卜勒三定律,這是牛頓提出牛頓力學的重要依據。誰能想到,天天盯著星星看而窺得的行星運動的奧秘,幾百年後卻成為我們修造高樓大廈、橋梁、飛機、汽車,發射飛船衛星的根本?當我們窺探到了宇宙運行的奧秘,也許幾十年或100年後,中微子帶給我們的知識,會同樣融進我們生活的方方面面。」

從武大到中科院,從歐美實驗室到中科院高能物理研究所實驗物理中心,二十載春秋,5300多公裡,跨越時間和空間的距離,這位樂觀的物理學家,一直堅守著內心最初的悸動,致力於揭開宇宙終極之「謎」的神秘面紗。

來源:「科普中國-科技名家風採錄」


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