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曹俊:现在是中微子研究的黄金时期

时间: 2016年08月29日 | 作者: 韩冬 | 来源: 环球科学
通过对中微子的研究,科学家能解开怎样的宇宙奥秘?《环球科学》记者就此问题采访了中国在中微子领域的代表性科学家,中科院高能所的曹俊研究员。

 

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中微子无处不在。每秒钟有万亿个中微子以接近光速穿过我们的身体,但它几乎不与物质发生相互作用,探测极其困难。过去30年里,已有4个诺贝尔奖颁发给了中微子领域的科学家,但至今中微子依然神秘莫测。有科学家认为,中微子是通向新物理学的钥匙。那么通过对中微子的研究,科学家能解开怎样的宇宙奥秘?中微子本身,又有哪些未解谜团?

 

前不久,中微子领域的顶尖科学家汇聚在伦敦,参加国际中微子物理与粒子天体物理大会,探讨最新进展以及未来展望。作为中国在中微子领域的代表性科学家,中科院高能所的曹俊研究员也参与了本届大会,会后接受了《环球科学》的专访。

 

《环球科学》:您刚刚参加完国际中微子物理与粒子天体物理大会,这是中微子研究领域最顶级的会议,这次您印象最深刻的是什么?

 

曹俊:去年获得诺贝尔奖的两个中微子领域的科学家在大会上做了精彩的开幕报告,他们在1998年和2002年分别发现大气中微子振荡和太阳中微子振荡。中微子大会每两年开一次,今年是第27届。参加会议的人越来越多,说明中微子研究越来越热。大会联合主席向大家展示了一个图表,显示每届大会的参会人数,能看出明显的上升趋势。第一届中微子大会只有几十个人,而这次达到700多人。2030年是泡利提出中微子预言100周年,会议将回到预言中微子的地方——瑞士,很有象征意义,估计参会人数将超过1000。

 

《环球科学》:从整体上看,现在全球的中微子实验进行到什么阶段了?

 

曹俊1998年和2002年发现的大气中微子振荡和太阳中微子振荡,用参数 θ23 和 θ12 来描述,这两个实验,以及它们同时代的很多实验,基本上可以算第一代。这个时期大家都在找振荡,但不知道上哪儿找,也不知道有多大。

 

中国的大亚湾反应堆中微子实验在2012年测出了第三种振荡模式,用参数 θ13 描述,可以算第二代。这个阶段我们知道上哪儿找了,但不知道有多大。日本的 T2K 实验和美国 NOvA 实验算是“两代半”,介于第二代跟三代之间,他们提出得太早了,那时候还不知道 θ13 的数值,所以实验设计得不是很合理,不能达到科学发现的目标。

 

第三代的中微子研究,就应该是测中微子质量顺序和 CP 破坏这两个主要的未知量——这是在 θ13 的大小确定后,中微子振荡剩下的两个最重要的问题。第三代实验都在规划或建造中,比如中国的江门实验、法国在地中海的 ORCA 实验,美国的 DUNE 实验、日本的超级神冈实验等。

 

《环球科学》:各国的科学家在这次国际中微子物理与粒子天体物理大会上公布了什么最新结果?

 

曹俊:一般科学领域可能每过一段时间就有一个重大成果,但在中微子粒子物理领域,甚至整个粒子物理领域,都要较很长时间才能出一个重大成果。最近中微子研究没有很重大的成果出现,但是新的实验结果很多,也有一些让人激动的实验迹象。

 

我们报告了大亚湾实验的最新结果,把 θ13 的测量精度从6%提高到了4%。大亚湾一直在积累数据,统计量比原来增加了一倍,因此精度有较大提高,在分析方法上也有改进。还有一些其它结果,像新的反应堆中微子能谱、寻找惰性中微子等。

 

美国和日本的结果集中在中微子振荡的 CP 破坏和质量顺序上。对大部分粒子来说,粒子和对应的反粒子只是电荷符号不同,参加的反应都是对称的,这叫做“ CP 对称性”,但中微子或许并不遵循这种对称,这就叫做“ CP 破坏”,跟宇宙起源有关系。如果中微子 CP 破坏比较大的话,那么宇宙中反物质消失就有可能是中微子造成的。日本的 T2K 实验和美国的 NOvA 实验都是长基线加速器中微子实验,他们报告的最新结果都倾向于最大的 CP 破坏。

 

质量顺序,就是指三种中微子到底哪个最轻、哪个最重,它跟中微子的基本性质和味道结构有关系,是关于三种中微子到底哪个最轻、哪个最重的参数。NOvA 和日本超级神冈实验的大气中微子数据都倾向于正的质量顺序。他们给出的结果不是很确凿,大概2倍标准偏差,只能叫“迹象”,出错的概率是5%。CP 破坏也一样,但难得的是每个问题都有两个独立的实验,给出一致的结果,大家认为很可能是对的。正的质量顺序就是上图中左边的这种情况,CP 相位角大约是 3π/2。此外,NOvA 也指出 θ23 可能偏离45度,意味着缪中微子在振荡中不会完全转化为陶中微子,这个结果与日本的两个实验不太一致,需要更多数据研究。这是中微子振荡的重要结果。

 

意大利 GERDA 实验报告没有探测到无中微子双 β 衰变,这个结果比以前的灵敏度更高。如果探测到这种衰变,就说明中微子是自己的反粒子,即马约拉纳粒子——这肯定是诺奖级的成果。

 

《环球科学》:我们检测到第三种中微子振荡模式 θ13,它比预想中要大很多,这对后续的中微子研究有什么影响?

 

曹俊:质量顺序和 CP 破坏的测量都强烈依赖 θ13,不知道它的大小就没法设计和优化实验。以前认为 θ13 可能很小,现有技术可能测不了质量顺序和 CP 破坏,有不少人在研发更复杂、更昂贵的中微子工厂、贝塔束流等新技术。幸好我们发现 θ13 很大,这样的新技术就不需要了。

 

《环球科学》:对于中微子和粒子物理研究来说,现在是一个什么样的时期?

 

曹俊:我认为现在是中微子研究的黄金时期。为什么这么说?因为参与中微子研究的人越来越多,很多实验在建造或规划,大家都已经知道中微子领域的重大问题,有明确的研究方向,而且已经有了一二十年的积累,所以进展很快,未来的结果是可以预期的。

 

同时,似乎大自然是非常慷慨的,不仅 θ13 出人意料地大,CP 破坏也可能是最大,这是使测量最容易的参数组合,同时也出人意料地出现了正质量顺序的迹象。原本我们认为 T2K 和 NOvA 可能什么都看不到。几年之后,新的实验装置建起来,又会有一批新结果。我们现在就处于这中间,充满希望的中间。

 

对整个粒子物理,现在已经到一个关头。标准模型中的所有的粒子都已经找到了。但是标准模型认为中微子没有质量,这与实验结果相悖。现在要把质量加进去,但是还不知道怎么加。大部分人都认为标准模型肯定不是最终理论。中微子是一个重要的突破口。另一个突破口是高能量前沿的希格斯粒子或者新粒子。

《环球科学》:目前中微子研究的竞争是不是很激烈?

 

曹俊:越有可能出大成果的实验竞争越激烈,但美国和日本的第三代实验都比较慢,中国的江门实验将比他们早6年建成。另外有两个实验立项前景不明。

 

法国地中海实验的建设快一些,是江门实验最大的竞争对手。这个实验装置建在地中海里面,原理跟南极洲的“冰立方”差不多。如果完全照计划,它可能比我们更快测到中微子质量顺序。但是实验建设取决于人的努力,实验结果也有统计概率,后者完全是运气。我觉得只要按自己的节奏走,我们依然有很大的可能赢得竞争。

 

《环球科学》:江门实验的目标是什么?它和大亚湾实验有什么区别?

 

曹俊:江门实验离阳江和台山核电站53千米,它的首要目标是测量质量顺序。此外,还可以把三个振荡参数测到好于1%的精度,通过高精度测量,也许能看出有没有新物理。大亚湾实验离大亚湾反应堆2千米,只能测 θ13。两个实验测的都是反应堆中微子,但测的是两个不同振荡。另外,江门实验还将进行粒子天体物理研究,包括超新星中微子、寻找暗物质、寻找质子衰变等等。

 

《环球科学》:江门实验建成之前,大亚湾实验会扮演什么角色?

 

曹俊:大亚湾实验会运行到2020年,直到江门实验开始收集数据。大亚湾实验的数据可以进一步提高测量精度,这也是非常重要的工作,能够把中微子参数测到3%的精度,这在以前没有人做过,而且这个结果在很长时间内都会是最精确的结果。只要是做中微子研究,基本上都要用到这个参数,所以要尽量测准确。另外,大亚湾数据对培养新学生也很重要。

 

《环球科学》:大亚湾实验不仅在科学上走到了世界前沿,而且也培养了不少优秀的人才,比如前不久获得国际纯粹与应用物理学联合会青年科学家奖的温良剑。那么大亚湾为人才培养提供了什么独特的环境呢?

 

曹俊:大亚湾实验有高质量的国际合作环境,培养学生也朝国际一流标准看齐。对于人才培养,有很多影响因素:要有好的课题,好的导师,好的环境。同一项研究总有多个小组来做,参加大亚湾的有很好的大学,比如加州大学伯克利分校、加州理工学院、普林斯顿大学、威斯康星大学等等,他们的每个学生、博士后都非常优秀,我们的学生跟国外合作方的学生要竞争,要比工作质量。如果学生勤奋努力,又参与了世界前沿的课题,也有国际合作环境,这样就更有可能成长为优秀的科学家。国内现在一些领域有这个条件。

 

《环球科学》:国内做中微子研究的科学家,有多少是从国外引进的?

 

曹俊:有几个。实际上,高能所从我以后再也没有从国外引进过人才。

 

之所以没有引进,刚开始是找不到,后来能找到了却没法引进了,但因为我们自己培养的学生也成材了,也很优秀,他们提拔不上来,国外的就没法引进。

 

温良剑是大亚湾里最好的学生,他2010年博士毕业,现在是副研究员。引进的人才虽然一般很优秀,但很难高过温良剑。待遇要和能力相当,不能倒置过来,所以我们没法提供好的待遇,没法吸引人才。而很多大学的“青年千人”,都是博士毕业三四年就引进来,给很好的待遇,有的学校直接给教授职称,在我们这里很难做到这一点。关键在于,人才计划要给国内的拔尖人才平等的机会。

 

《环球科学》:那么中微子项目是如何留住人才的?

 

曹俊:靠事业。年青人知道我们做的研究很重要,呆在这里比出国能对科学做出更大的贡献,更有利于提高学术水平。而且他们的国际地位并不低。到国际上做大会报告、跟别人交流都没什么问题,只是不是国外引进人才,没有头衔,国内各种评比都轮不上。不知道人才计划以后会不会变,再不变会比较麻烦。

 

环球科学》:有人说现在青年科学家待遇太低,对此您怎么看?

 

曹俊:我年轻的时候待遇比现在差很多,更老一辈的更差。大家说现在青年科学家待遇差,抱怨房价太高,其实过去也有同样的问题。这些矛盾永远都会存在,永远会有人抱怨。实际上是大家心里的标准变了。我也希望青年科学家待遇能好一点,但平心而论,哪个年代、哪个行业的年青人都不容易。

 

《环球科学》:您怎么看目前中国的科研水平?

 

曹俊:今天国内的科研水平已经比原来好太多了。不对比可能没感觉,但实际上发展很快,是一条很陡的上升直线,比别的国家快很多倍。在一些细分的领域,国内的科研已经走到了世界的前沿。

 

我上研究生的时候没出过国,跟国外根本没有交流,也就谈不上国际地位了。我们现在的学生,研究生期间至少都会有一两次出国的机会,四五次都有。我们现在有国际合作组,开组会就可以与国际同行交流。我们现在也开始招国际学生、国际博士后。我们有意大利、英国的,希腊的,还有德国的学生、博士后。我那时候基本上还是圈在国内的一个小圈子,没有几个人能在国际上说上话。如果在20年前,毫无疑问一定要到国外好的学校念博士才能得到好的锻炼,但是现在就不一定了,国内一样有一流的学术环境。(撰文:韩冬)