大亚湾反应堆中微子实验首次发现了中微子的第三种振荡模式，在国际高能物理界引起强烈反响。这项在我国诞生的重大物理成果，其背后蕴藏着怎样的传奇。
今年4月27日，高能物理学领域的权威学术刊物、美国《物理评论快报》刊载了中国大亚湾中微子实验首次发现新的中微子振荡模式的文章。此前的3月8日，大亚湾实验国际合作组中方发言人、澳门赌场高能物理研究所所长王贻芳在北京宣布：大亚湾反应堆中微子实验首次发现了中微子的第三种振荡模式，其振荡几率sin22θ13值为9.2%，误差为1.7%。这是在我国诞生的一项重大物理成果。此项科研成果发布后在国际高能物理界引起强烈反响。意大利OPERA实验发言人安托尼奥·艾瑞迪塔托（Antonio Ereditato）教授称“这是中微子物理的一个里程碑”。
“这实际上是我们‘抢’出来的成果，如果不是各方面夜以继日地工作，就不会有今天的结果。”澳门赌场高能物理研究所（下称“高能所”）实验物理中心研究员、大亚湾中微子实验项目副经理曹俊告诉《瞭望》新闻周刊记者。这位8年前还在美国费米实验室工作的“70后”说，在科学研究的舞台上，只有第一，没有第二。如果没有挑战自我的献身精神，是很难赢得这场比赛的。
“捕获”中微子
当日本KamLAND中微子实验在2002年12月发布报告最终确认太阳中微子发生振荡后，全世界高能物理学家的目光聚焦在θ13上。为测量θ13，2003年俄罗斯、法国、美国、日本、巴西和韩国等国竞相提出实验方案。高能所研究人员及时把握住了这一国际前沿动向，认真讨论在我国进行中微子实验的可能性，并开始中微子实验的选址勘测。一年多后，一份在大亚湾核电基地利用反应堆中微子精确测量θ13的方案成为从7个国家的8个方案中胜出的3个方案之一（其他两个方案是法国的Double Chooz实验和韩国的RENO实验），并最终进入建设实施阶段。
2006年底，由中国主导、中美合作、国内外多位科学家参与的大亚湾中微子国际项目正式启动。王贻芳告诉本刊记者，大亚湾中微子实验具有反应堆总功率大、附近有山的独特优势，美国能源部因此放弃自己的两个方案，转而加入大亚湾中微子实验，这也是美国能源部在基础研究领域对外投资的第二大国际合作项目。
2007年11月，大亚湾核反应堆300米外第一声炮响，拉开了中微子实验站建设的大幕。
实际上，被称为“幽灵粒子”的中微子无处不在，很多物理过程都能产生中微子，比如太阳能够发光，是因为太阳内发生着核聚变，这些核聚变同时也产生着中微子。太阳中微子跟太阳光一样，向四面八方飞出，地球上指甲盖大小的地方，每秒钟就会落下600亿个太阳中微子。反应堆发电的能量来自核裂变，它同样产生大量的中微子。要想“捕获”它，必须用高精度探测器，在中微子流量大的地方测量。大亚湾核电站有6个反应堆，每秒钟就会产生数万万亿个中微子。这也是科学家青睐核反应堆的原因。
王贻芳表示，为了做一个本底非常干净、经得起考验的实验，大亚湾反应堆中微子实验装置建在了大亚湾核电站附近的山腹内。但是要在中国最大“核岛”附近的山腹中开挖隧道无异于“在太岁头上动土”。因为一旦开山爆破引起的震动超过核岛的安全标准，那么所有反应堆都会自动停机，对整个香港的供电和南方电网的冲击将会非常大。
为了确保“核岛”安全万无一失，承建隧道工程的中铁十五局的工人们，硬是以“绣花”的功夫，完成了核岛附近3000多次爆破、3100米地下隧道和5个地下实验厅的基础建设，创造了核岛近距离安全爆破的世界纪录。
为了抢回因工程进度缓慢耽误的时间，每当一个地下实验厅挖好后，科研人员就和工程技术人员一起进入，同步展开设备布线安装。“新挖好的岩洞内燠热潮湿，进去20分钟，保管浑身湿透。工人们都是赤膊上阵，当时没有水喝，没有厕所，更没有吊车。但我们硬是凭借简单的机械和人力，将5个40吨容积的超大罐子搬进了“液闪”装备大厅，尽早开始了中微子探测器的装配。”大亚湾中微子实验项目总工程师庄红林不无自豪地说，就是在进度“落后”的情况下，大亚湾项目实验组科研、工程人员在探测器安装、取数计算等工作上，生生“抢”回了一年时间。“那段时间，没人计较哪些活儿该工人干，哪些活儿该科研人员干，只想多争取些时间，大家同心协力，最后一气呵成。”高能所研究员、大亚湾中微子实验项目副经理杨长根补充道。
在“前方”的实验装置现场，工程技术人员和工人们一起加班加点，开工“白加黑”不分昼夜，每周“五加二”很少有休息日。科研人员更是每天“两班倒”，白天搞实验，晚上与美国同行在网上开会、写电子邮件讨论问题，常常工作到凌晨。
在“后方”的研究所，王贻芳和研究团队未雨绸缪，展开了中微子实验物理研究的各项准备工作——在2006年国际合作组正式成立后不久，中微子实验的物理分析组便在研究员曹俊的带领下，开发出了相应的数据分析软件并进行了多次模拟演练，为日后实战的物理数据分析积累了经验。在中微子探测器的关键技术——掺钆液闪（液体闪烁体，简称“液闪”）的配制上，研究团队更是“先行先试”。
杨长根解释道：“液闪是探测中微子的关键物质。当探测器捕捉到来自核电站反应堆群的中微子时，‘液闪’就会发出微弱的闪光，仪器将放大并记录这些闪光。早在大亚湾工程开工之前两年，实验组就着手研制‘液闪’的配方和制造方案，并进行了无数次试验。”杨长根说，大亚湾中微子实验是一个大国际合作项目，项目组有来自6个国家和地区的39个研究机构、250多名研究人员。当初在使用哪国的“液闪”问题上，专家们曾有一番争执。“最终，我们自主研制的‘液闪’因其配方性能更佳、在光学特性和稳定性上更好，而在项目组内中美等国提出的多个方案中胜出，成为探测器的唯一选择。”
“当时，我们的竞争压力主要来自两个方面，一个是项目组内部合作伙伴的竞争，一个是国际同行间的竞争。”曹俊向本刊记者介绍说，布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、加州理工学院、普林斯顿大学等都是美国一流的科研机构，也聚集了国际上研究中微子的一流科学家，“我们一开始就站在了国际竞争的跑道上，要真正做到以我为主，靠的是实力。你只有做到最好，才能在国际合作中有更多的话语权。与美国科学家同台竞争，这对我们是一个巨大的考验。可喜的是，我们经受住了考验。”
在曹俊看来，国际同行的竞争，首推法国的Double Chooz中微子实验。他们研究开展得比较早，已经有现成的隧道和远地探测厅，只需再在核电站附近一两百米的地方挖个“洞”，就能立即开始实验。但由于核电站本身功率较小和探测器的系统误差较大，其精度只能达到大亚湾的三分之一。就在法国的Double Chooz实验步履蹒跚时，韩国的RENO实验又成为大亚湾项目最有竞争力的对手——2011年12月24日，当大亚湾的探测器刚开始获取数据时，“韩国RENO实验已经进行了4个月”。
为了赶在竞争对手前获得物理结果，项目组果断调整了实验计划，将实验分为两个阶段，改变原先使用8个探测器的方案，以6个探测器提前积累数据。王贻芳告诉本刊记者，由于数据量足够大，大亚湾中微子实验的一个月就顶得上别人三个月以上。这其中，探测器是关键。为了使探测器足够灵敏、体积足够大以“捕捉”中微子的痕迹，项目组改变既定策略，在远厅里放了3个同样大的探测器。“这样做的一个额外好处就是，3个探测器各自独立，可互相校验，降低了实验的误差，提高了实验的准确度与可靠性。”
数据分析是中微子实验最关键的环节，可以说，此前的一系列艰苦工作都是为了获取数据并据此研究分析出结果。实验得到的海量数据在第一时间被同步传输到北京和美国，拼的就是实力。
“中国团队赢得了这场比拼，这主要得益于我们的先期演练和数据分析组人员夜以继日的拼搏。”曹俊说，在数据分析冲刺阶段，由“80后”和“90后”组成的年轻团队发挥了重要作用，完成了实验数据的获取、刻度、修正和数据分析，最终比美国方面先得到了高质量的分析结果。“当我们在3月8日宣布实验结果时，韩国RENO实验的科学家很无奈地表示，他们也准备在当周公布测量结果。但在科技竞争的舞台上，永远只承认第一。”曹俊表示，虽然在最终的物理结果中，有中美两方结果的相互校验，但发表的文章中采用的正式结果是中方的。
开创国际合作新局面
经历了漫长的建设过程，大亚湾中微子实验终于在这场国际竞争中领先，这让已是古稀之年的项目总工艺师白景芝研究员感慨万千。曾参与1980年代北京正负电子对撞机建设的白景芝，是项目组里的“大龄青年”，从项目初建至今，他每年有大半时间是在大亚湾度过的。他激动地说：“1980年我第一次出国是‘劳动力’，是通过‘干活’学习；1990年我第二次出国，是访问，‘协助工作’。这一次国际合作，我是主人，能不拼命工作吗？”
多学科交叉和大型实验装置建设是现代大科学研究的两大主要特点，工程技术在其中占据了举足轻重的地位,有时直接决定了科学研究的成败。小到一颗螺丝母的安装、电路布线，大到设备工艺，无一不影响着科研的质量和水平。项目总工程师庄红林说，在大亚湾项目组，每个人心中都装着“责任”，不论是科技人员、建设工人还是合作单位。比如安装探测器，每个探测器内有上百个关键部件，操作稍有失误，就会前功尽弃。但为了一个共同的梦想，大家就像“一群勤劳的蚂蚁”，在没有阳光、阴暗潮湿的隧道一干就是几十天。
“小时候就想当科学家，现在虽然当不了，但能和科学家在一块儿工作，也挺荣幸的。”一位参加项目建设的工人这样告诉本刊记者。“跟科学家合作的感觉很不一样，他们让人相信，还是有人在认真做事的。”广东中泽重工总经理洪紫林如此感慨。他告诉记者，公司通过招投标拿下了中心探测器钢罐的制造任务，这对他们一万多吨的年产量来说并不算什么，但“这个钢罐有很多特殊要求，它的结构复杂，要做得很薄，同时又要严格控制变形，精度要求很高。”这位民营企业家为“驻厂”科学家的执著与敬业所感动，组织技术人员做了近80次焊接试验才拿到一个合格的试样。第一台钢罐的诞生耗时一年多，相当于普通产品7倍的工时。“有人说我们亏了，但我觉得不亏。我虽然不懂科学，但和科学家一样，我也是为了一个美好的愿景在做事。”
“‘不要等美国人’、‘要把大亚湾实验当成我们自己的事情’。”曹俊说，王贻芳所长始终强调的这一理念影响了参与项目的每个人。所以，在大亚湾实验中，各方面都是中国人做得好——创新性的实验方案保证了实验精度；在实验装置的建设上实现了多项科技创新，如多模块探测器设计、水屏蔽设计、反射板设计、掺钆液体闪烁体等，均采用了新材料和新工艺，解决了大量技术难题。此外，多项设计与技术具有独创性，如首次提出在探测器内的上下部采用反射板，首次提出多层切伦科夫探测器及其与RPC的结合，效率达国际最好水平，首次研制了具有自主知识产权的“液闪”；该实验还是唯一采用统一实验室多模块探测器的中微子实验，提高了精度与可靠性，该设计得到了国际上的广泛关注与赞同。这一系列科技创新，也为中国高能物理界争得了荣誉。
“正是凭借着这样的实力，我们才能主导国际合作，并赢得国际同行的认同和尊重。以前，我们最好的学生都去美国留学了，我们凭什么和人家竞争？”曹俊说。
“过去是我们出国学习，现在别人来参加我们的实验。我们的学生，在家门口就能参与国际一流水平的科研。”王贻芳表示，大亚湾实验将我国的中微子研究带入了国际前沿，极大地提升了我国在探测器设计和建造方面的国际声誉，开创了国际合作的新局面。
