最近网上流传着这样一种说法:粒子物理学已经发展到头了,能挖的宝都已经被人挖光了。事实真的是这样吗?
今天,我们就来讲一个中国科学家在粒子物理学领域抢先挖到宝的故事。要想把故事讲清楚,咱们还得从万物的组成说起。
世间万物由什么组成?原子!
原子由什么组成?原子核和电子。
原子核由什么组成?中子和质子。
质子和中子又由什么组成?夸克!
到了这一步以后,
粒子就不能再往下分了。
所以,
电子和夸克都属于人类已知的,
组成物质的“最小单元”。
当然,
这样的“最小单元”还有很多,
如果把它们都画出来,
足足能排满一块黑板。
在这张图上,
每个小球就代表一种,
组成这个世界的基本粒子。
都听过吧,
天天念叨它们,
所以没啥新鲜的。
不过,
有些个小子不太常见,
比如说,
它们是这群粒子中,
最不爱凑热闹的几个,
几乎不跟其它粒子发生反应。
并且,
在标准模型里,
中微子没有质量。
自 70 年代开始,
标准模型通过了全世界
无数次物理实验的严苛考验,
它简直说啥是啥,指哪打哪,
从未失手。
然而,
历史的经验告诉人们,
再 NB 的模型,也不是万能的,
理论总有适用范围。
就像曾经辉煌的牛顿时空观,
最终被光速不变的实验结果打脸一样,
标准模型终于也有露出破绽的内天。
1998 年,
由日本物理学家小柴昌俊带队的
超级神冈探测器,
一不留神发现了一个奇怪的现象,
叫中微子振荡。
这个振荡究竟是个啥操作,
我们暂且不唠,
但它碰巧证明了一件事:
中微子有质量!
不管标准模型的预言应验了多少回,
但那是好汉当年勇,咱都不提了,
只要说错一次,
甭管您是谁,麻烦您靠边让出 C 位。
于是,
闪耀了 20 年的无敌光环被打破,
标准模型走下了“神坛”。
理论出了毛病,按说是个闹心事吧,
但科学家可不这么想,
物理世界有个神奇的现象,
越是 NB 理论出事,
物理学家心里反而越美。
认知出现盲区,
说明真相有待探索,
骨灰级理论穿帮,
往往能催生一场物理革命。
换句话说,
中微子出轨这事,
说明我们脚下有金矿!
谁先挖着算谁的,
保不齐就换个诺贝尔奖啥的。
有金子谁不惦记?
你以为就你一人财迷?
别人都跟那傻愣着?想的美!
这不,一听说有金子,
三支专业挖宝队迅速赶到现场,
他们是:
全都是老油条,
经验丰富,
装备精良,
一个个虎视眈眈。
说起来,这件事中国队真不好弄,
就连带队的科学家也直犯嘀咕。
因为关于中微子的探测,
咱压根就没干过,
一没经验,二没装备,第三还差钱。
差多少?
2003 年的 1.7 个亿!
这咋跟人家 PK ?
而且挖宝这事,
往少了说几年,
往多了说几十年,
大把大把烧钱还搭工夫,
我们队实力不挤,
傻呵呵的冲上去不是
给人打了酱油么……
但是啥话都得两说,
明知道宝藏就在脚下,
眼睁睁看着别人挖走,
自己跟边上愣着啥也没干,
那也太憋屈了吧。
你要知道,
当年超级神冈探测器还没建造之前,
小柴是先找过咱们的,
他想跟咱搭伙,
看能不能一块整?
可那会,
我们就因为怕这怕那没敢干,
结果小柴桑没招只好一人上了,
结果他们接连测出各种中微子现象,
兜里连揣了俩诺贝尔奖。
这就跟电影里说的一样一样的:
人生的遗憾莫过于此啊!
今这事明摆着是个大好机会,
难道咱又要主动放弃不成?
中国队队长一拍大腿,
老外 NB 归 NB ,
咱认怂可不行!
于是,
2006 年,
中科院批准了5千万元前期资金,
大亚湾核反应堆中微子探测项目终于启动了。
我们的目标是,
抢在别家挖宝队之前,
率先测出中微子振荡的第三个参数。
这个实验的原理是这样的:
整个过程中,
为了防止宇宙射线的干扰,
试验要在深山中进行。
原理说起来挺容易,
干起来那真是:
首先,
闪光液里又得加东西,
又得倍儿干净,
不干净就看不清哪里有闪光。
就这一件事,
中科院高能所的科学家折腾了老长时间,
试过 N 种办法才最终搞定。
其次,P 管这东西,
当时只有日本能生产,
但问题是太贵!
所以没招,
我们只好硬着头皮让合作者出钱买。
老这么花钱给别人赚也不是办法啊!
买完以后又过了几年,
高能所和国内企业最终搞定了这个难题,
2015 以后的实验全都用国产P管,
再也不用进口啦!
在挖宝竞赛过程中,
本来日本队实力最强,
但谁知道半路不幸遭遇地震,
把设备给震坏了,
进度落后了一整圈,
这可以说是中国队的运气。
在最后冲刺阶段,
为了节省时间,
中国队做出了一个贼大胆的战术调整:
8个探测器差俩没装好,
那俩不要了,6个先整!
2012 年 3 月,
经过 6 年的艰苦奋斗,
中国队最终赶在其他队伍之前,
率先公布实验结果。
当时,
所有人都傻眼了,
谁能想到,
一帮老油条让一新手给虐了!
无疑,
这是一个比肩超级神冈的成就。
中国挖宝队一战成名,
昨天还是新手,
今天就已经跻身粒子物理世界一线明星梦之队。
2016年,
大亚湾中微子探测项目
获得国家自然科学一等奖。
中微子一振荡,
标准模型瞬间成了过气网红。
然而,
目前还没有其他模型能够占领C位,
顶替它的位置。也就是说,
我们脚下(至少在中微子问题上)
必定还埋着人类还没挖到的知识宝藏。
未来,
我们祝愿中国挖宝队能够再次大显身手,
揭开微观世界基础物理的全新篇章!
原文:矩阵良
改编:武子
编辑:Sheldon
策划:吴欧
绘制:Mirror
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注1:我们说的中国队是指由中国大陆科学家主导的实验团队,其中还有来自中国台湾、美国、捷克的科学家。
注2:关于上世纪70年代中日之间可能开展的中微子实验合作,科学家指出,大家不用太往心里去。因为就算那个时候利用中国大山多的优势,把实验地点放在中国国内,其中的主要科学实验也不一定能够由当时的中国科学家完全主导。我们当时的底子确实太薄弱了。
注3:2006年测算出的大亚湾反应堆中微子实验的总经费大约是2.4亿元人民币。