中微子獵手

鞠強

2012年3月8日，曹俊所在的大亞灣反應堆中微子實驗團隊召開新聞發布會，宣布關于中微子研究的重大發現。這時距離當年春節過去僅一個多月的時間，為了這一發現，團隊成員過年都沒有回家。“當時特別緊張，我們想要趕在其他國家團隊之前得出結果。大家加班加點處理實驗數據，春節都沒回家過年。除夕時候，我請他們吃了年夜飯。”盡管已經過去7年多，提起當時的情況，曹俊還記憶猶新。

中微子是粒子世界的“幽靈”，不帶電，質量小，無處不在卻又極難觀察。曹俊是國內最早倡導并開展中微子實驗的物理學家之一。2003年之前，他在美國費米實驗室參與中微子研究，那時國內研究中微子的物理學家鳳毛麟角，更沒有相關的實驗。偶然的機會，他和中科院高能物理研究所現任所長王貽芳院士就未來的中微子實驗進行了幾次交流，盡管立項前景不明，但覺得科學上非常誘人，于是決定回國面試相關的崗位。“那時候簽證很困難，覺得有可能回不了美國了，所以帶了一半行李回國，面試成功之后，因為籌備實驗非常忙，我果然沒有再回去”。曹俊就這樣成為大亞灣中微子實驗團隊最早的成員之一。

“1988年以來，中微子相關研究已經4次獲得諾貝爾物理學獎，可見其重要性。”曹俊為我們講解道。粒子物理標準模型是20世紀物理學最重要的成就之一，在絕大多數情況下，理論預言與實驗結果都驚人一致，但是這個模型不能解釋暗物質和暗能量，也不能解釋中微子質量，因此物理學家不得不去尋找標準模型之外的“新物理”，從而完善對世界的描述。在未知的重重迷霧中，中微子也許是他們最重要的線索。

曹俊在中科院高能物理所的光電倍增管實驗室。光電倍增管能將極微弱的光信號轉換成電信號輸出，并獲得驚人的電子倍增能力。江門實驗使用的光電倍增管全部由中國生產。

自然界中已知存在3種中微子，彼此之間可以轉化，這被稱作中微子振蕩，是標準模型無法解釋的奇異現象。中微子振蕩中，有3個叫做混合角的重要參數，對前2個參數的測量都獲得了諾貝爾獎，因此測量第3個參數成為很多實驗團隊的目標，包括曹俊所在的大亞灣團隊。

2011年12月24日，大亞灣實驗的探測器開始取數。在這樣一個探測器建在中國、以中美兩國為主的多國粒子物理合作項目里，整個團隊都處在既合作又競爭的良性狀態中。因為是國內第一次開展大型中微子實驗，中方團隊無先例可循，只能本著“遇山開路、遇水架橋”的態度，逐個攻克難關。“團隊每個人都很拼，心里卯著勁呢！”

終于，大亞灣率先發現了第三種中微子振蕩模式（對應第3個混合角）并精確測量了振蕩概率。這不僅是測得了中微子物理中一個重要的參數，還將直接決定下一代中微子實驗研究的設計思路和發展方向，因此得到國際物理學界的高度評價。

發現希格斯玻色子讓歐洲核子研究中心的大型強子對撞機名聲大噪，也讓大型高能物理實驗設施走進公眾的視野。“粒子物理實驗從提出設想、設計建造再到運行并產出成果，往往需要一個漫長的周期，”曹俊說，“從事粒子物理研究的實驗物理學家，在科研生涯的黃金期只能投入到一兩項實驗中。”他們既不能盲目行動，又要有遠見卓識。

2008年，大亞灣實驗剛剛啟動建設不久，曹俊等人就已經開始為未來進行謀劃，提出了江門中微子實驗。這個實驗是大亞灣實驗的升級版，不僅有望確定中微子質量順序，對中微子的幾個關鍵參數進行更加精確的測量，深化對中微子的理解，甚至有可能發現宇宙起源中反物質消失之謎的“鑰匙”。

江門中微子實驗目前已在基建施工中，計劃在2021年底完成探測器建造，再用約6年的時間完成關鍵的數據收集工作，那時距離提出設想整整20年。20年是實驗物理學家的黃金期，但與宇宙138億年的歷史相比，只是微不足道的一瞬間。以“瞬間”去探索“永恒”，為理解看似不可理解的宇宙創造可能，也許就是曹俊這樣的實驗物理學家送給人類的最大奇跡。

曹俊粒子物理學家，中國科學院高能物理研究所研究員，研究方向為中微子物理和中微子探測技術。