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【南方都市报】直击地下700米洞穴的大科学装置,探秘大国重器有多牛?
2022-09-02|文章来源: |【
 

  8月中旬,广东江门市,雨时下时停。

  不出意外地,在媒体座谈会上,中科院高能物理研究所所长、中科院院士王贻芳又一次遇到了那个这些年回答过无数次的问题,“为什么要建(大科学装置),有什么用?”或者说“跟我们普通人有什么关系?”

  这位物理学家一如既往耐心地从中微子是什么讲起,讲竞争激烈的国际中微子研究,讲对于宇宙基本规律的探索,讲各国的基础研究。

  呼吁多年,王贻芳也感到了这些年大家对大科学装置的积极变化。在他看来,“建设大科学装置就像谁最先有望远镜、显微镜,谁最早得到科学最新的东西,谁做了谁就走在前面。”

  他还谈到了国际合作对于基础研究的重要性。江门中微子实验是19个国家和地区共同参与的一次大规模国际合作,这在此前并不多见。近年来,无论是大亚湾反应堆中微子实验、江门中微子实验还是大型环形正负电子对撞机,中科院高能所正逐渐把世界科研的目光吸引到中国。

中科院高能物理研究所所长、中科院院士王贻芳。中科院高能所供图

  地下700米的大国重器

  江门中微子实验位于广东省江门开平市金鸡镇的一个村落,一路坐车从窗外看去,可以看到大片的农田、民房,偶尔出现的农家乐饭店低矮破旧。

  很多人不知道的是,这里默默进行着一场国际“竞赛”:这个以测量中微子质量顺序为首要科学目标的大科学装置,建成后将与日本的“顶级神冈中微子探测器”和美国的“深部地下中微子实验”设施形成中微子研究的鼎足之势。

  江门中微子实验。南都记者 王凡 摄

  为什么选址在这里?王贻芳告诉记者,最终确定在这里,是因为从地图上看,这里和阳江核电站、台山核电站正好形成一个“等腰三角形”,实验室距离两个核电站均为53公里。据了解,核电站发电会产生大量中微子,距离核反应堆50-55公里的地方建造往往是理想的地点。“利用两个核电站,我们的实验造价就省了一半的钱。”他说。

  乘坐近15分钟的轨道牵引车后,南都记者来到地下700米的山洞——实验大厅所在地。在这里,记者看到了江门中微子实验的“心脏”——中微子探测器。探测器的主支撑结构是一个巨大的“钢球”,使用了大约900吨的不锈钢材料。王贻芳解释称,“和碳钢相比,不锈钢较软,且较难得到需要的刚度和精度,但钢球在水中需浸泡30年,还是得用不锈钢。”

  地下700米的山洞。南都记者 王凡 摄

  中微子探测器。中科院高能所供图

  未来,中微子探测器将浸泡在位于地下实验大厅内44米深的水池中央,它由直径41米的不锈钢网壳、直径35.4米的有机玻璃球、以及2万吨液体闪烁体、2万只20英寸光电倍增管、2.5万只3英寸光电倍增管等关键部件组成。

  据介绍,之所以把探测器放在很深的地下,是用岩石来阻挡宇宙射线,将其泡在水池中,是用水来阻挡来自岩石、空气、灰尘的天然放射性干扰。

  那什么是液体闪烁体,光电倍增管又是干什么的?据了解,液体闪烁体99.7%的成份是日用洗涤剂的一种原材料——烷基苯,液体闪烁体是探测中微子的介质,当大量中微子穿过探测器时,偶尔会在探测器内发生反应,发出极其微弱的闪烁光。

  按照设计,液体闪烁体被密封在钢和有机玻璃制作的容器中,然后被浸泡在一个巨大的水池中。钢架上将安装可以将光信号转变成电信号的光电倍增管,中微子在液体闪烁体中发生反应后发出的闪烁光可以被光电倍增管捕捉到。探测器建成后,水池将封盖,探测器将在“不见天日”的情况下运行30年。

  王贻芳向南都记者介绍这一“大国重器”。中科院高能所供图

  捕捉“幽灵粒子”

  了解江门中微子实验,需要先谈谈什么是中微子。中微子被称为“幽灵粒子”,因为它在十二种基本粒子中最小、最轻,也没有电荷,最难探测,所以人们对它的了解也最少。

  王贻芳曾用一个比喻这样介绍自己的研究对象:盖房子需要砖,所有的基本粒子就像是砖块,一起构成了宇宙,这些砖块共有12种,其中3种就是中微子。通过研究中微子,可以知道物质世界的构成,知道物质世界为什么成为今天的世界。

  来自世界各国的科学家,都绞尽脑汁去捕捉中微子的蛛丝马迹。中微子分为电子中微子、μ中微子和τ中微子三种,中微子振荡就是指三种中微子的相互转化和混合。在此之前,日本和加拿大的科学家发现已知三种中微子之间的两种振荡模式,但第三种中微子振荡模式一直未被发现。

  2012年3月,王贻芳领衔的大亚湾中微子团队宣布,首次探测到中微子的第三种振荡模式。这一发现为超出标准模型的新物理研究,特别是解释宇宙中物质与反物质不对称性提供了可能。这一成果使得王贻芳被授予2016年“基础物理学突破奖”,他也是唯一获得该奖项的中国科学家。

  2020年12月,大亚湾核反应堆中微子实验装置退役,后继者就是江门中微子实验。相较前者,江门中微子实验以“测量中微子的质量顺序”为首要科学目标,这也是国际中微子研究的核心问题,而且此次实验规模更大,实验也更加灵敏。

  王贻芳告诉南都记者,从世界范围来看,中微子研究是高能物理界最热门的研究领域之一,另一个则是希格斯粒子。目前,该领域国际竞争也相当激烈。被问及是否担心其他国家率先取得成果,王贻芳显得很有信心,“现在看不会,我们比他们提早5年。”

  国际科学界非常重视中微子,诺贝尔物理学奖多次颁发给相关研究。被问到是否有可能凭此成果获诺贝尔奖,他显得毫不在意,“谁晓得,跟这没什么关系。”

  以测量中微子质量顺序为首要科学目标的大科学装置。南都记者 王凡 摄

  大科学装置成为城市“名片”

  不出意外地,在媒体座谈会上,王贻芳又一次遇到了那个这些年回答过无数次的问题,“为什么要建,有什么用?”或者说“跟我们普通人有什么关系?”

  在他看来,大科学装置分为两类,一类具有应用价值,还有一类立足基础科学前沿,不直接产生经济效益。前者指的是,一些大科学装置他们本身可以和国家重大需求相结合,带来的效益显而易见,比如中国散裂中子源,江门中微子实验则更多属于后者。

  中国科学院高能物理研究所副所长、散裂中子源科学中心主任陈延伟告诉南都记者,国家发改委布局建设的中国散裂中子源当初落户东莞市大朗镇时,这里还只有一大片荔枝林。如今投入应用4年时间,中国散裂中子源已成为相当“火爆”的科学装置,多家科研团队和企业排队申请应用。

  了解散裂中子源,首先从中子讲起。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上,大多数会不受任何阻碍而穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周“散射”。测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的结构。

  为了源源不断地产生中子,科学家们要建设一个类似于“中子工厂”的大科学装置,这就是散裂中子源装置,人们把它称为研究物质材料微观结构的“超级显微镜”。

  据陈延伟介绍,中国散裂中子源为国家急需的许多高性能结构材料攻关提供了关键技术平台。举例来说,无论是高铁的车轮还是飞机的发动机都可能出现金属疲劳,现在科学家通过散裂中子源来测量金属疲劳的程度,这和千万人的生命安全息息相关。

  不仅如此,大科学装置落地后,成千上万的高科技人才汇集于此,优化了当地的人才结构。而对于当地的大学和企业来说,影响更加直接。

  陈延伟告诉南都记者,如今这里的年均公众参观访问量超1万人次。最夸张的是一次科普活动中,科研人员半天就接待了6000人次,“从香港、湖北、湖南等地专程过来的车一路排到了高速路口。”目前,该平台的注册用户已超过3800人,2021至2022年度申请课题数同比增长了122%,课题申请的通过率为29%,相当于100份课题申请书中只有29份能够通过。

  在王贻芳看来,无论是FAST天眼也好,中国散裂中子源也好,这些大科学装置都提升了地方的知名度,成为了所在城市的一张名片。“比如在东莞,有人听说隔壁就是中国散裂中子源,那人家就愿意来投资。”

  江门中微子实验位于广东省江门开平市金鸡镇的一个村落。中科院高能所供图

  “我们为了自己的科学去做”

  事实上,江门中微子实验也间接催生了不少新技术和新产业,其中最常被提起的就是关键器件——光电倍增管。

  在地下700米的实验大厅,南都记者见到了外形酷似“圆眼睛灯泡”的光电倍增管。据了解,国内曾经生产过小光电倍增管,后来被日本滨松垄断。为了满足江门中微子实验“世界最高探测效率”的需求,研究所与企业成立联合体共同研制20英寸的光电倍增管。经过6年的努力终于达到要求,实现了批量生产。之后研制的高速光电器件被广泛应用于国家安全、医疗、科研等方面。

  “我们不跟他提需求,企业也想不到做这些事情。”王贻芳曾在2021未来青年论坛上发表演讲时称,正是科学家和工程师的这一次合作,使中国的光电器件一下子走到了国际前列。

  在很多人眼中,不少大科学装置距离人们的生活太过遥远。过去这些年,王贻芳在多个场合向外行人科普自己在做的中微子研究,但他也明白,让大家都听懂不太现实,自己只能尽力而为。

  座谈会上,有媒体提问,江门中微子实验会对当地乃至粤港澳大湾区的创新升级带来什么?面对这个有些“宏大”的问题,王贻芳回应说,“我们做的大科学装置只是贡献自己很小的一份力量,把我们自己的事情做好,剩下的事情自然而然会发生,但我们不是为了这些影响做的,我们为了自己的科学去做。”

  在所有的动机中,真正让王贻芳和他的科学家同事们愿意耗费多年心血(大科学装置从提出到建造往往以5年、10年为计)的根本动机,就是希望了解这个世界的好奇心。“学物理就希望了解这个世界,初心就是希望在对整个物质世界的认识中能做出自己的一点贡献。”他说。

  呼吁这么多年,王贻芳也感到了这些年大家对大科学装置的积极变化。陈延伟也有类似感受,十几年前散裂中子源初到广东东莞时,大家对大科学装置几乎完全不了解,他们还曾带了不少当地村民到散裂中子源参观并讲解。如今,已经有越来越多人认识到大科学装置的重要性。

  王贻芳告诉记者,人们觉得大科学装置有用,更多是认为大科学装置主要解决国家目前经济发展的需求,不过在他看来,这是大科学装置成果的其中一个方面,更重要的是要让中国的基础研究走在国际前列。

  如今,全世界高能物理学界正在展开一场无声的“竞赛”。王贻芳认为,人们通过各种仪器扩展自己的感知能力,比如眼镜、望远镜、显微镜,现在用的是加速器,越小的粒子需要越大的科学装置,现在就看谁先下决心去做这件事情,“就像谁最先有望远镜、显微镜,谁最早得到科学上最新的东西,谁做了谁就走在前面。”

  谈国际合作:如果不能吸引别人投资,说明你还不够优秀

  自2014年成立国际合作组,江门中微子实验至今已发展为由19个国家和地区的74个科研单位600余位科学家组成的大型国际合作组,如此大规模的国际合作可能在中国科学界是第一次。

  王贻芳认为,用于基础研究的大科学装置一定要有充分的国际合作,要积极争取国外的参与和实物贡献。据介绍,江门中微子实验国外人数上贡献了一半之多。

  对于基础研究来说,这种国际合作使得投入更加有效,覆盖面更广,研究成果的影响力也会扩大,“十几个国家,这些人都会到自己国家宣传,项目影响力可能会乘以5倍、10倍。”

  此外,国际合作对于选择优秀的项目极其重要,在项目立项阶段,国际评审能避免利益冲突。一个项目在17个国家都能有说服力,那说明这个项目很可行。“如果你不能吸引别人投资,那说明你不够优秀。”王贻芳说。

  近年来,无论是大亚湾反应堆中微子实验、江门中微子实验还是大型环形正负电子对撞机,中科院高能所正逐渐把世界科研的目光吸引到中国。“把一个科学的中心建在中国,让别人向往我们,让他们都到我们这里来。”王贻芳说。

源自南方都市报 2022.8.31版 原地址:https://m.mp.oeeee.com/a/BAAFRD000020220831718141.html?layer=2&share=chat&isndappinstalled=0&wxuid=ogVRcdMFq5d2C1cr0hVA2lI6EadM&wxsalt=8ae976


 
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