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大亚湾八卦|科研故事也可以很惊心动魄跌宕起伏的(微博存档)
6,653字理工微博资料存档科学八卦史128次阅读0条评论

科研故事也可以很惊心动魄跌宕起伏的。阿佐@葛桜 说了很多物理和科普,我没阿佐那么高的物理水平,作为一个八卦人士我只会讲故事,所以我就来讲讲故事。

不是BEPC和CEPC的故事——它们的周期比较长,很多故事行内人不太讲,不过也是高能故事,是隔壁做中微子的大亚湾中微子实验(Daya Bay,简称DYB)的故事。

大亚湾的故事我个人觉得,是一个我国高能物理从一穷二白到世界领先的缩影,而且非常精彩刺激,可谓占尽了天时地利人和——所以你们为什么不宣传!拍电影啊!写小说啊!不会写笔给我行不行!!(恨铁不成钢拍桌.gif)

我可以毫不脸大地说,大亚湾之前,中国无中微子物理。

那还是刚迈过新世纪的时候,国内一个做过中微子物理的都没有,对,一个都没有。反观国际上呢?国际上最早的一个中微子实验就出在我们一衣带水的邻国日本,名字大家也许听过,就是神冈实验,神冈实验什么时候启动的?1986年。而到了1996年,仅仅十年,神冈实验就更进一步升级成了超级神冈(SuperK),并且一战成名震撼天下——

他们发现中微子是有质量的。

这是个什么概念呢?这么说吧,在粒子物理领域我们有一个类似麦克斯韦方程组一样优美又经受住了层层考验的极漂亮的模型,叫做标准模型——你听听这名字,标准,就差拿它当物理学大厦封顶的那块金砖了。大家都记得大街小巷流传的LHC上发现希格斯玻色子的故事吧,希格斯玻色子,也是落在标准模型的框架内被好好地描述了的。

这么一个身经百战见的多了的理论,你猜它怎么预言中微子的?

——标准模型说,中微子是没有质量的。

晴天霹雳。

超出理论,就意味着一定有新物理,中微子物理瞬间成为了全世界竞相追逐的领域——谁不想在一片肯定有宝藏的新大陆上插上自己的旗帜呢?

中国当然也想,但咱们面临的是一个悲催的循环:没有人才,大型中微子实验搞不起来;实验搞不起来,永远都不会有自己的人才队伍。高能物理的每一个实验都是出了名的长周期,短的十几二十年,长的三五十年,等SuperK在世纪之交出了成果,意思就是,我们已经落后国际二十年了……甚至不止,毕竟我们就没有起步过,中微子物理历史有多长,我们落后就有多久。

中微子振荡被发现,确定中微子有质量后,下一步最重要的就是确定$\theta_{13}$的值。

大亚湾反应堆中微子实验就是这个时候被提出来的。

这里还有一段不为人知的往事:早在上个世纪,我们已经错过一次机会了,就因为穷。

这故事的主角是高能物理学家唐孝威,他在德国汉堡结识了日本物理学家小柴昌俊,两个人都对质子衰变有浓厚的兴趣,因此结下了友谊,在各自回国后仍然保持着通信。

寻找稀有的质子衰变需要有山体作为屏蔽宇宙射线的天然屏障,这种地理条件在日本比较难找,但中国山多啊!两个人希望推动中日进行国际合作。唐孝威找到了时任高能所所长张文裕,得到了张文裕所长的大力支持,但是当时高能所没有足够的经费来支持这个实验,于是向上级申请拨款。

之后,唐孝威带着他的学生(也可能是同事?)在西部和四川一带山脉广袤的地方选址,初步选定了几个地方,结果一回到北京,收到上级的回函,说不能支持,合作计划只得作罢。小柴后来在日本神冈找了一个废弃矿井,开始进行他的实验。

这是1980年左右的事情。

1987年,小柴在神冈探测器完成人类史上首次来自外太空的中微子探测;1998年,SuperK发现中微子振荡,证实中微子有质量;2002年,小柴昌俊获得诺贝尔物理学奖。

这一耽误,就是二十年。

大亚湾提出来的时候,国内高能物理界压力也是很大的,中微子这块真一穷二白从零开始,可想而知反对的声音也不会少,但我们已经错过二十年了,再错过一次就真的没有赶上的机会了。

现在其实有点难以想象当时大亚湾实验面临的国际竞争。

当时世界上前前后后至少提出了8种实验方案,中国、法国、美国、日本、俄罗斯都拿出了自己的方案,这些方案对我们要测量的参数的设计灵敏度基本在0.01到0.03左右。

从来没做过一个大型中微子实验的中国,拿出的大亚湾方案,设计精度是0.008,是所有方案中精度最高的。

国际上没有人相信中国高能物理学界能做到这样的精度,我们自己人也有不少怀疑。幸运的是,这一次,我们可以让它成为现实了。

同期上马的与我们竞争的实验组还有两家:法国的Double Chooz实验,和韩国的RENO实验。法国在中微子实验上已经不是第一次。而同期运行的还有日本的T2K实验,虽然他们不是反应堆中微子实验而是加速器中微子实验,但无论是经验还是人才队伍上都远胜于我们。

这种条件下,大部分人都觉得大亚湾会是个花钱陪跑的项目吧……

同期运行,同期竞争,拼的就是速度和精度,谁更快拿出更好的结果,谁就能在这一领域宣布国际一流的地位。

实验物理有许多哪怕是同方向的理论物理学家也想象不到的、听上去不可能完成的任务。

提一件我有印象的事情,就是曹俊学长在博客里说:世界上没有“完全干净”的容器。

大亚湾实验,需要在一个超大的“罐子”里装上液体闪烁体,然后泡在纯水的环境里。有一点点工业常识的人都知道,“罐子”是会析出杂质污染水体的,这些析出虽然微乎其微,以至于在理论计算里我们几乎不会去考虑,但实验不可能不关注这个问题——任何一点杂质,都可能影响我们的测量结果,这就是精确测量的残酷与挑战。

我们的高能实验物理学家们,要挨个检测不同厂家的材料析出,然后把这些杂质对实验结果的影响也考虑进去,最后还要达到0.008的精度。

此外,大亚湾所用的光电倍增管(PMT)都是日本滨松的管子,在此之前,PMT产业基本就是由日本滨松公司垄断的;到了后来的JUNO,我们要求更高了,要的管子非常“超常规”,没办法,只好委托北方夜视自主研发,于是就有了神乎其技的20英寸的超大PMT……曾经曹俊学长的微博头像就是他抱着那超大PMT的靓照哦(。

个中艰辛,大概只有参与其中的人们能知道吧……

这事儿除了拼实力,有的时候,也拼天时地利。为什么这么说呢?日本的T2K,其实做得真的很好,是我们强有力的竞争对手,上得还比我们早,2010年的时候,我们还没把探测器安装好呢他们已经开始取数了。可惜飞来横锅,2011年3月,日本大地震,把他们加速器震坏了……

万般无奈之下,T2K把之前的数据发表了出来。

不发不要紧,一发,大家通过这个数据很快意识到了一个事儿:

$\theta_{13}$这个参数,可能比我们理论估计的要大得多。

这只是个迹象,谁都不敢说一定是,而在2011年这个时候,已经是各个实验组进行最后冲刺的最焦灼的阶段了,一天都耽误不起,耽误一天,另外两家随时可能率先取数进行测量,摘走首次测量的桂冠。

高能所做了一个很大胆、很有魄力、如果判断失误导致失败大概会被挂墙头挂到死(……)的决定:

有两个探测器,我们不下了。

本来计划中应该放下去的8个探测器(如图1),只放6个(图2),立刻开始取数!

001

002

当然,这六个怎么放,近点放多少个远点放多少个,都可能会影响结果,就“怎么放”这一条,高能实验物理学家们在最短的时间内拿出了最好的方案:岭澳近点和远点各撤下一个。

据我一当年参加过DYB的师兄说,那个时候从上到下从老板到学生全都是连轴转,大老板都拼了命了你肯定也牟足了劲儿干啊!

2012年3月8日,大亚湾中微子实验合作组宣布$sin^2(2\theta_{13}) = 0.092 \pm 0.016 \pm 0.005$,相对系统误差仅为0.2%,当时国际上还有人不相信这一结果。

仅仅三个星期后,韩国RENO实验组宣布了他们的结果:$sin^2(2\theta_{13}) =0.113\pm0.013\pm0.019$——我们大胆的决策,跑赢了。

越明年,Double Chooz组拿出了结果:$sin^2(2\theta_{13}) =0.097\pm0.034\pm0.034$。

之后我们把那俩剩下的探测器也放下去了,并在2015年更长期的测量后拿出了结果:sin^2 (2theta_13) = 0.084 ± 0.005 ,|delta m^2 ee| = 2.44(+10 -11)×10^(-3)eV^2,这一精度堪称奇迹。

经此一役,中国在国际中微子物理研究上站到了当之无愧的一流地位。培养出的人才队伍、搞出来的技术、积累下来的数据和经验,都将作为中国中微子实验的基石,在往后的实验——不管是JUNO、是锦屏,还是未来的MOMENT之中,都将是一笔宝贵的财富。


故事讲完了,但我还想再逼逼两句。

大亚湾的故事已经过去快八年了,为啥我还是想拿出来讲呢……因为这个故事至少有几个点,是最近吵得翻了天的要不要建CEPC的争论中,值得参考与讨论的点。

  1. 必须要有理论才能去做实验吗?当然不是,在SuperK发现中微子振荡之前,没有任何理论可以肯定地说中微子是有质量的,但在中微子振荡发现后,我们才有了一窥标准模型以外的新物理的窗口,而新物理到底是个什么面貌,并不是仅凭理论就能告诉我们的。
  2. “要有实用价值才能上”,大亚湾只是测一个$\theta_{13}$,但由于超高的精度要求,对于液闪的纯度、PMT的精度、甚至土木工程的质量都相应地提出了超高的要求,有需求才会有产业,在之后的江门中微子实验里,北方夜视自主生产研发的20英寸的PMT管直接打破了日本滨松的垄断,就是非常好的一例。
  3. 我们何以成为世界一流——我跟弗兰开玩笑说,说这话也太卖情怀了,结果我最后还是成为了自己最讨厌的人。结果写到这里想了半天觉得还是王所比较有水平,比我说得好多了,我就直接套王所的话吧。

    你给年轻人做世界一流的工作,他就会成为世界一流,是我们自己没有给他们机会。
    你不给他做世界一流的工作,他永远不会成为世界一流。
    ——王贻芳(中国到底要不要斥巨资做对撞机?王贻芳院士专访

003

王所还说:“当下和未来都要考虑,不可偏废。”

话说回来,老杨反CEPC这车轱辘也不是第一年了,2016年闹得更是满城风雨,那个时候我导师在组会上跟我们说:“不要灰心,不要丧气,你们想想,CEPC建好了以后我都六十几岁要退休了,取数做实验出结果发论文怎么也轮不到我们这帮人,早退休回家老婆孩子热炕头了。当然高能发文章其实一篇文章几千个作者大家要是图名图利早换方向了,就是人生苦短希望做点让自己开心的事儿嘛。那为什么我们还要费这么大劲想尽办法做预研搞宣传争取一定要上这个项目?”

“——因为二十年后,是你们这一代攒够了科研经验,成为高能物理中流砥柱的时候,等你们到那个时候,也会自然而然为后来人着想,希望他们能广阔天地大有作为的。”

当时他说得挺轻松语气挺幽默的,我在下边听着,把这话记了三年,如今回想起来,却怎么都觉得有点心酸。


2019-05-20 的更新(知乎存档)

呃……我确实没想到被师兄提溜过来答个题突然被赞上来了还被收录进了知乎圆桌*(这是个啥?)*……总之感谢大家抬爱……

然后针对评论区几个比较典型的问题我直接把答案贴过来吧,评论区可能大家不太好看。

@大力牛魔王 :这个……能科普下能用在啥地方吗

这个结果对物理前沿意义比较大,直接用确实目前没什么想法……但是探测它相关的东西,比如液体闪烁体和光电倍增管用处很大,闪烁体在测量宇宙射线上几乎是最好的手段(当然人造的射线也没区别,一样能测),光电倍增管也是我们光电信号放大的重要设备,具体的民用领域大概要查查日本滨松都有哪些客户……但我知道军事上夜视仪是绝对对光电倍增管要求很高的,这也是为什么北方夜视愿意做这块的原因

也顺带贴一下类似的几个问题我写的回答,比较散就不一一列出是回哪条的了:

中微子这么多个参数里面现在$\theta_{13}$是精度最高的,明显好于$\theta_{12}$ 和$\theta_{23}$,物理上说的话这个比较大而准的$\theta_{13}$值给我们指示了下一步研究质量顺序(JUNO)CP角测量(忘了哪个实验反正也在准备做)甚至无中微子双$\beta$衰变(锦屏)的方向。高能物理的结果是全人类的财富,我们本身就是一个以国际合作建立起来的学科,堂堂正正地公开发表自己的成果我觉得没什么不对的……结果在物理上很重要,但是到达这个结果需要的经验和人才和背后一系列的产业都是很了不起的

结果也许只对高能物理的来说很重要,但是背后涉及到的设计能力,工业建造能力,人才队伍,还有一些我们测量的也许对高能物理没有很大意义但对其他学科有很大意义的物理性质,这个结果可以说是一个综合实力的结果吧

其实这个问题我还是要引用我另一个师兄奶咖学长的话吧,我自己有点儿说不明白,但他说得很好:

关注民生确实是有必要的,CEPC以及过去的其他大科学工程能做的主要是推动产业发展,这是企业愿意和这种大科学工程合作的原因,但大科学工程确实很难直接关系到民生。但是我想这是多数科学研究的现状,大家对民生贡献有限,但还是要发展。
产业化上,比如超导这些的最前沿以及基础当然是凝聚态领域贡献的,但是现在落实到现实使用上需要把它变成能够量产、长时间稳定使用的产品,是一个工程学问题。大科学实验科学目标是物理的,但实际搭建几乎全是工程的。这也是技术企业可以获益的原因。
发nature prl当然比不上凝聚态多,首先大科学工程的结果很少去发ns,这属于传统。所以主要是发prl(欧洲的项目的话可能主要发欧洲的期刊,比如plb和jhep)。出文章速度低的原因是一个分析结果需要经过很多个组,几十几百个人内部打几轮架后才出文章去审稿,这都是要很谨慎的。几年前不谨慎的例子就是意大利的OPERA中微子实验,所谓发现中微子超光速,结果死得很惨。所以大科学实验的结果同样发prl,但含金量肯定不低,尤其在可靠性方面。
这也是高能一开始在宣传上基本只提物理目标的原因,而物理目标确实看起来不实用,于是很多人又说这个东西完全没有实用价值不值得投资。所以也需要告诉大家大科学项目是许多工程项目的组合,有些可能是成熟的技术,但还有些不成熟的我们有希望把它弄成熟。再呈现一些国内过去的经验。

总之就是,作为一个大科学装置,我们肯定首先关心它的物理目标——它毕竟是个科学装置啊!但是我们也希望告诉大家,搭建中获得的工程经验和产品的确能够对社会有所贡献。


@何林 :很好的故事,非常佩服。但是这种明眼人都看得见的拼速度的基础科研还是不如那些独辟蹊径更具原创性的研究。

嗯……这么说吧,方向很明确(也就是实验目标)的实验就叫没有原创性吗……方案是我们自己设计的,安装建造是我们自己建造的,事例数据是我们自己分析的,中间遇到的种种困难是我们自己克服的,我们拿到了一个世界上最好的精度,超越之前所有的测量结果(且超出非常高),不足以证我们拿出了原创性的思路和设计么23333


@张靖 :我记得读过一篇小说,说过科研的拼速度有时候拼的就是RP和幸运,有时候你决定的方向是对的,那你就能快人一步,但是问题就在方向上,谁也看不见100米后的方向是不是对的,只能蒙

这个说法倒不一定,一个大科学实验上肯定有它自己的物理目标,目标确有,路径确无,怎么到达那个预期的方向才是最难的。

不过确实有偶然性,比如一开始我们都以为$\theta_{13}$的值可能比较小,但测出来还挺大的,所以也会根据这个结果修正下一步的方案,大方向上一直是这个方向,但路径需要不停规划


关于文中提到的其他几个实验,以及开放日(?)

DYB(大亚湾反应堆中微子实验):现在已经圆满完成任务啦,虽然还在运行不过主要也是培养人才用了;问了一下说是已经不开放公众参观了,辛苦啦

JUNO(江门反应堆中微子实验):这是继承大亚湾的工作,进一步测量三代中微子的质量顺序以及研究CP相角的问题(这段看不懂就算了没事大家都看不懂)

MOMENT:准备依托散裂中子源的园区建立的加速器中微子实验,估计是JUNO下一步吧

锦屏(其实是Nvdex):位于地下一千米,锦屏实验室其实挺综合的(因为条件太好了),不止大家很熟悉(?)的寻找暗物质的PandaX,像Nvdex就想要寻找无中微子双β衰变

开放日的话,每年的520(yes,就是今天)都是中科院开放日哦,个别研究所可能会早一天,这一天各个所都有对公众开放的活动呢~欢迎大家去参观~


@超级松鼠 :哈哈,来了不少水军。没有引用没有论文发表,吹比。鄙视。

我竟然也有被认为有钱到请得起水军的一天……哎谢谢您谢谢您,抬爱了抬爱了,我之前还跟朋友发愁说去一趟cp24回来估计得穷死了,没想到也有被有钱的一天,感谢感谢

不过倒也是个事儿,这里也列一下成果,让各位有兴趣或者有志于加入中微子物理大家庭的师弟师妹们有一个找的方向吧:)

最重要的当然是这篇啦:

Observation of electron-antineutrino disappearance at Daya Bay, Phys. Rev. Lett. 108, 171803 – Published 23 April 2012

然后是稍后一点发表的:

Improved measurement of electron antineutrino disappearance at Daya

然后是我在评论区说核工的朋友会感兴趣的:

Spectral Measurement of Electron Antineutrino Oscillation Amplitude and Frequency at Daya Bay

Measurement of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay

八个探测器都放下去后2015年出的更精确的结果:

New Measurement of Antineutrino Oscillation with the Full Detector Configuration at Daya Bay


@海子 :好厉害,好屌,牛逼,但是为啥杨振宁说:“高能物理的party is over”,因为高能物理这块,你所有的研究必须发表,不然就等于没成绩,那既然如此我们直接用别人测试好的数据就好了啊。

嗯,我想想应该怎么说……这么说吧,一个结果的背后是你的实验设计,基础工业,人才队伍等等等等非常综合的能力的体现,像我们也经常跟工科那边的队伍“搞联谊”……结果也许可以用别人的,队伍呢?$\theta_{13}$只是一个主要目标,我们对其他的问题,比如核反应堆的近点我们测了具体的谱线,这个可能对高能物理意义不大,但核工专业的朋友们都说这个结果很重要……

我也不是说中国不要研究这东西,只是我们目前社会很多问题和矛盾都需要钱,咱们还没这个条件而已,高能物理,研究出来的研究成果,20年内没啥大用,哪个粒子质量大,哪个没质量,能解决吃饭问题吗。有条件了咱们造个大的加速器别说现在的300亿预算,1000亿也行。

这种说法适用于所有基础科学项目吧……我理解你的意思,但我只是一个做物理的,我只能告诉大家,这个物理目标对我们来说很重要——实事求是地说,知道多少说多少,但我不学税务,不学工商,不学社会学也不学管理学统筹学……我相信每一行都有每一行的门道,如果我简单说“我觉得这东西有什么什么社会效应”那一定是不负责任的说法,建不建这个问题应该交给他们统筹各方意见后做出决定,我们作为从业者,唯一负责任的做法就是:说清楚为什么重要,并且尽可能拿出一个合理的方案出来

……退一万步,如果真的重要,却因为我们的怯懦和畏惧不把我们认为重要的工作提出来,白白错过站到世界前列的历史机遇,我觉得那才是我们作为科研工作者的不负责任

End.
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  • 小F reply

    这个八卦有点燃!!!

    • @小F 是的!我去年就在微博上嗷嗷叫说你们DYB能不能出个人来把这个故事写了!啊!

      结果还是今年我自己撸起袖子写了(……)令人头秃