为何要精准捕捉宇宙中的幽灵粒子

就在这座山体的下面，藏着四点五万只眼睛，试图捕捉宇宙中最古老和神秘的例子。中微子， 他们无处不在，难以捉摸，可能正在穿过你的身体，也在穿过地球和太阳。 为了揭开宇宙最深邃的奥秘，科学家带着对未知的执着和对真理的敬畏， 潜入微观世界，把目光投向地下七百米，开启一场与未知的极限对话。 从这看这个隧洞非常的深啊， 这个隧道，嗯，一千三百米，我们现在这么缓缓的往下走，像不像在校科学的深渊发起挑战？没想那么多的， 我们要在这等待一个把灰尘去掉的过程。对啊，吹一下， 转一下， 我们马上要打开科学家的好奇之门了，这就是装置了。对，这是我们的大厅， 上面是一个我们叫做宇宙线探测装置，就说我们虽然上面有七百米，嗯，仍然有很多宇宙线还是能穿过哦，所以我们通过这 这个探测装置把这些宇宙线给探测出来，在他进入水池之前，那水池呢？在这个下面，现在看不见。对，都这个盖住了，这个膜盖上以后，如果下次再打开得是什么时候了？ 正常情况下，嗯，三十年以后，要三十年以后了。对，江门中微子实验， 中国科学家花了十七年时间构想建造了一座位于地下七百米的巨型探测器，是国际上首个运行的超大规模和超高精度中微子专用大科学装置。 江门中微子实验是为了研究中微子的性质。这些中微子的来源呢，是阳江和台山的两个核电站，他们在发电的过程当中会产 产生大量的中微子，那么我们江门中微子实验就可以测量这些中微子，测量他的能量，最后能够得到他的能谱。在这个测量过程当中会有大量的环境的干扰，特别是宇宙线的干扰，所以我们需要把这个 探测器放在地下，通过七百米的岩石把宇宙线的干扰给屏蔽掉。国外有很多类似的，像中微子的这种装置，他要更深，那咱们选择七百米是从什么样的维度来考虑的？ 对我们做中微子研究来说，那当然是越深越好，并不是任何一个山都可以，我必须是离核反应堆五十公里的这个地方，我们这个山只有两百米高，那我想得到足够的岩石覆盖的话，我唯一的办法就是向下打这个隧道， 把这个实验室挖在地下，那这样的话当然成本就很高，所以七百米是一个最终物理需求和成本的一个平衡。 您在这里也有妥协在里的，那当然，那我可以花两千米，比如说没有钱，当然还有个时间了，你挖两千米，你需要更多的时间去挖他。嗯，有的时候觉得不值得，物理学家也要考虑方方面面的妥协， 高端物理学家尤其要考虑性能、科学和经费的平衡。那筹备七年，建设十二年，这个过程很漫长，会不会中间有想过我能建成吗？会怀疑吗？ 不敢说，一点怀疑都没有。我们从一开始设计这个时候，在方案没有 完全出来的时候，我们当然是有怀疑的，但等到方案出来，到了立项，那我们觉得这当然是能做出来，到什么时候您这个担心 就真的放下了？是取数的那一天，还是说真的出成果的那一天？我觉得到闭眼的时候大家可以放下， 否则的话是很难的。就说如果你建了这个庄子，他就是你的，就像你的孩子一样，你当然一直会操心， 除非他关门了拆掉了。我们这个装置科学寿命是三十年，所以这个心应该说一直是吊着。这也是您的第一次吧，做这么大的一个装置啊。 当然对我来说是第一次。做科学研究的人一辈子做的事情都是第一次，大也好，小也好，不同的方向也好，没有人愿意 去重复一件事情。可能很多人对您有过一些质疑，就是说我们花这么多钱用于一个中微子上面，它的价值是什么？ 人类经济社会发展到一定的阶段，你总是会有一些精神的追求，无论是文学、艺术还是科学。 当然科学有不太一样的地方，是在于他还是有他的所谓应用价值。过去我们中国几千年来大家不关心抽象的事情，这最后就造成我们中国科学的过去几百年的落后。从国家的发展来说，我们应该有一定的比例用于科学研究， 无论是经济还是技术的发展，最终都是依赖科学，科学一定是先行一步。嗯，做一个物理学家和当一个大科学装置的首席科学家，这两个身份在你身上你觉得切换自如吗？他有什么区别？ 我觉得没有区别，大家想象的科学家是在实验室里穿个白大褂，动动手摇摇瓶子，这是一类，但是我们，呃高能物理学家，我们的任务就是 设定科学目标，设计你的实验方案，设计你的装置，把这个装置做出来，然后分析数据，得到这个最后的物理结果，不可能有第二个人替你把它做出来。嗯，你只能靠自己。现在在国内做这样的大科学装置，跟您原来 年轻的时候在欧洲那个盒子中心做那样的科研，就是身份和心态上是不一样的吗？能够做自己想做的事情？能够啊，设定自己的所谓的科学目标，然后把这个科学目标实现了。这个呃， 感觉是完全不一样。那么这些创造性实际上最终就是对全世界的励志，物理对我们中卫者的研究就是一个贡献。那当然我们通过这个过程培养出来的人也是不一样，那么这个东西呢？就让科学呢？真正的在中国生根 江门。中微子实验不仅是中国的骄傲，更是全球粒子物理领域的一座里程碑。他将回答一个困扰科学界数十年的问题，中微子的质量顺序究竟是什么？这个答案 或许会重塑我们对宇宙起源的认知。科学家研究这个中微子到底在研究什么？我们整个的物质世界从原子到原子核到跨壳到轻子，中微子是一大类非常奇怪的基本例子，它是最基本的十二种 粒子当中的三个，所以占了四分之一。同时呢中卫指数量非常庞大，在整个宇宙当中每立方厘米就有三百个， 跟光子的数一样多。所以可以想象的话，如果中位子有一点点质量，那对整个宇宙的起源、演化、发展，对我们整个星系的各种性质都有很大的影响。二十年前我们知道中位子有质量，但是是多少我们不知道。 那么现在呢？我们在一步步在往前走，我们想知道这三种中卫子当中，它的质量到底哪一个重，哪一个轻？在之后呢，我们还希望能够把这个中卫子的绝对质量把它测出来，可能还需要二三十年的时间，也许要更长。 您刚才说他非常庞大，而且他能轻松穿过人体，甚至地球都可以轻松穿过，那这么庞大又这么多的一个东西，他为什么研究起来这么难？因为他不带电， 中微子不参与强项副作用，也不参与电磁强副作用，只参与弱项副作用，只在原子核的衰变当中很容易看到他。你有没有上网看到网友管他叫幽灵粒子，然后甚至有很多网友在猜说，科学家搞这个 神神秘秘的实验是在捉鬼吗？幽灵粒子也不是中国人发明的，国外也有把它叫做 ghost particle， 所以这个幽灵粒子这个词 一定程度上吧，反映了他的所谓的这个捉摸不透的性质。但是你不能把幽灵粒子变成幽灵，那就完全不一样了。那说明其实我们在追求真理的过程中，希望得到更多人的理解，也是不太容易的一件事。 这里面有专业的壁垒，让大家都理解是不太可能的。我们自己尽力也做一些科普，能够用通俗的语言把这个 事情给解释出来。我们了解这个中微子是为了能够明白物质世界是怎么回事，宇宙是怎么来的，但是中微子又非常小，用这么微观的事情来解释这么宏观的 问题要怎么去解释？这个是一个非常有意思的话题。呃，立足物理跟宇宙学有非常非常密切的关系。在宇宙的早期有一次大爆炸，那么这个大爆炸产生了我们整个这个宇宙， 那你可以想象的话，这个大爆炸的时候他温度一定是非常高的，能量是非常高的，那么在这么高的能量下，他的遵循的这个物理规律跟我们励志物理微观世界是完全一样，我们能够做的 就是通过高能的粒子的对撞来研究物质之间内部的结构，研究他们之间的相互作用的性质。那这个就跟宇宙早期就从物理上就完全联系起来。您相信这个世界上有一个反物质的平行世界吗？ 至少现有的能力和条件下我们没有看到，所以他有两个可能性，一个可能性就是这个反物质世界离我们非常远，我们暂时还没有看到他。 另外一个可能性呢？就是反物质衰变比物质还要快，那么到了今天反物质基本衰变没有了，剩下的只有物质。 就是我们做中微指的研究，有可能会解释我们看到的物质和反物质的这个整个宇宙的不对称，所以这个是我们现在中微指正当研究的一个最重要的任务之一。 中微子就像宇宙留给人类的一道谜题，建成世界最大的探测器仅仅是开始，真正的挑战在于如何从海量的干扰信号中捕捉到那些看不见的例子。从一九 三零年开始提出中微子这个概念，其实到现在马上就要近百年了，科学家花了这么长的时间都还没有把它研究明白， 这是为什么？我觉得一定程度上也是他的魅力所在。这个像电子的话，我们上上个世纪就已经探测到了，那么他的性质 啊，很快就被测出来。中微子因为他的性质的特殊性，使得研究他非常非常困难，那才让我们一代一代的科学家接力的去做这方面的一个研究。所以对于物理学家来说，研究中微子是一个令人兴奋的事情。是的， 这种兴奋来源于哪？来源于我们对未知的一种 好奇，如果这个未知是在我的手上解决话，那当然会更加兴奋。我觉得对任何一个科学的领域都是这样的，他的职责就是发现前人没有发现的规律，产生新的知识。那这个中卫者给了我们这样一个机会， 捕捉幽灵粒子，就像大海捞针，从液体闪烁体的极致纯净到探测器的精准捕捉，每一步都是对科学与工程的极限挑战。 科学家在建好这样的一个大的科学装置以后，到他能出第一份成果，这个过程大概是要多久哦？我们一直在取数，从这个八月二十六号开始，每天大约有五十个左右的中位子被我们探测到，我们准备在十一月份发 我们的第一个结果。现在这段时间对于科学家来说是不是就是等待，等是等不来的，我们要不断的，第一是要维持他这个装置的运行，从这数据当中寻找所谓的信号，准确的挑出来， 我们每天读取这个数据，大约每秒是一千个视力，再乘上二十四个小时，要从这里面把这五十个中卫纸给找出来，同时呢要把它的能量测准， 所以我们有大量的探测器的标定的任务，在八月份的时候，我们这两万吨的这个液体闪烁体已经注入了， 刚才我们也看到了，要十分的纯净，要保证他这样一种纯净，难不难？非常困难，就是整个江门中卫者实验啊， 有很多所谓的技术挑战，这个洁净度的控制就是这个技术挑战之一，所以我们在他们的生产过程当中都是做了专门的处理，做了专门的生产线原料，做了专门的重化， 到了现场我们还需要再做进一步的液体散射体的这样一个存化，把里面的各种灰尘杂质、有害气体都把它去除掉，才能使得最后达到我们要求的这样一个放射性纯净的要求。这么大规模的有经验可以参考吗？ 啊，非常少，应该说国际上跟这个类似的实验可以参考的只有他的二十分之一啊，甚至是五十分之一，不可能 沿用过去的小的这种装置的这种方法，嗯，要发明全新的新的方法。这个房间就处理夜闪，嗯，所以这个房间也是典型的一个国际合作啊，这是个国际合作。对啊，因为那个罐子是德国人做的哦， 然后这个罐子是意大利人做的，这个罐子是我们中国人做的，所以这这这里面三大套系统。嗯，三个国家 有这么多人在这里面有这么多意见，还能非常和谐的相处，还不打架，挺会打架的，一定会打架的，一定会有不同的意见。那大家讲道理，嗯，然后看谁这个道理能够讲的讲的更有道理。 将门中微子实验的数据全球共享，不同国家的科学家 汇聚于此，一场揭开中微子奥秘的国际竞赛已经悄然开启。我其实到这来以后，我发现有很多外国的科学家在这，我还听说，呃，有的国家甚至是带资竞组的。 那很多网友就有这个担心，说钱大头的钱都是中国出的，那我们数据都跟国外共享了，会吃亏吗？如果你不跟他合作，你自己一个人做，最后你把别人犯过的错误又重犯一遍，到底谁吃亏啊？ 在高端物理研究当中，这个国际合作是一个惯例，是个常态。他们这些人都参与过国外的其他的一些实验，他们有经验，有成功的经验，有失败的经验，所以让所有的人把他们的经验都告诉 我们，可以少走弯路，少犯错，他能帮你，大家一起把全球的智慧都集中起来， 让我们能够得到更好的科学成果。应该说我们做科学最根本的目的是为了全人类提供知识，体现我们中国对人类的贡献。 那咱们的实验目标就是要测到这个中微子的质量和顺序，其实是国际上研究的一个热点吗？是的，这块是不是竞争很激烈？ 日本和美国的实验他都把它作为一个最主要的目标之一吗？所以大家都在争这个，谁能够第一个把这件事情做出来，那这个谁能赢？取决于啥呀？取决于你探测器的性能。哦， 你把这个事情做出来，探测性能出来了，后面的事情就是应该说基本上确定无疑。当然我觉得科学上他在很大的程度上有所谓的运气在里面。 那对于江门来说大概多久会有一个比较好的成果？你预计三五年吧，三五年就是我们可以测定他的质量顺序。当然如果运气好的话，能碰上一次操心心爆发，那答案也很好的。这个概率有多大？ 据说银河系每一百年有一次操心性爆发，但是到目前为止我们已经有三百多年没看见了。嗯，所以在未来的三十年当中再看到一次可能性不能说是零，应该说还不行。那现在 领先世界的这个装置已经建成了，您下一个梦想是什么？中国能够有这样的领先的基础科学研究的装置是最重要，我们不能缺席基础科学研究的最前沿， 我们要把这个装置给用到极致，获得相关的科学成果， 探究宇宙的奥秘，探究物质结构的奥秘，这是每一个文明社会都应该有的这样的一个追求。我希望在未来的 几代人甚至十代人，大家能一起努力，能够赶上过去落后的阶段，在人类文明的发展史上能够留下我们应该有的印记。

我们最终要从每秒一千个视力里面把这五十个中微子给找出来。实验室在七百米以深的地下，科学家想要找到的，想要抓到的是什么？加盟中微子实验是为了研究中微子的性质， 这些中卫子的来源呢？是阳江和台山的两个核电站。在这个测量过程当中会有大量的环境的干扰，特别是宇宙线的干扰，所以我们需要把这个探测器放在地下，通过七百米的岩石把宇宙线的干扰给屏蔽掉， 到他能出第一份成果，这个过程大概是要多久？我们第一个目标是可以在几个月当中给出实验的结果，就是测量中位置的一个正当参数，可以把现有的这些测量的精度提高到两 到三倍。十一月份发布我们的第一个结果，我们会对中位置正当的这些参数做一个精确的测量，这个意味着什么？所有的人都可以用这个更精确的参数进入他的这个体系，进入他的模型，那么他的预言就会更精确，会让大家很惊喜吗？ 我想会吧，因为这样一个大的装置在取速之后能够顺畅稳定的运行， 得到很好的结果，表明这个探字器的性能达到了设计的预期。那我想全球的科学家对这样的一个时刻应该是都是很期待的。 那咱们的实验目标就是要测到这个中微子的质量和顺序，其实是国际上研究的一个热点吧？是的，这块是不是进 很激烈？日本和美国的实验他都把它作为一个最主要的目标之一。一个是美国的沙丘 duo 中卫做实验，一个是日本的 hippk 实验，嗯，我们这个应该说是第一个完成建设开始运行的。在大型装置这个领域啊，我们已经在世界最前面了， 这个能证明什么吗？那这样的装置显然不是谁都能做，一定程度上反映了我们的能力，无论是在 中位置的科学上，还是我们在中位置相关的探测器的设计方案还有技术上面，就走到了世界的前面。

中微子是构成物质世界的基本粒子之一，每秒间就有七百亿个中微子从我们的指缝中穿过。此刻我正在江门中微子实验大厅，他深藏在地下七百米处， 在我身后的这个黑布下面有一个泡在超纯水中的超大球体，就是用来捕捉中微子的，他是目前世界上能量精度最高的探测器。 这个是四十四点五米，这里面的这个球是三十五点四米，钢结构是四十一米圆球，最中间是液体闪烁体，外面是有机玻璃球， 有机玻璃球外面是这个钢架，钢架上装了两层光电培针管，一层对内，一层对外。泡在水里他有两个目的，第一呢，这个整个这个环境他有很多放射性， 如果我把水做的特别特别洁净，把水里的放射性去掉，那我这个球就看不到周围的放射性。第二呢，这个水本身遇到带电粒子的时候，它会发光，我们可以标记通过七百米岩石以后剩下的那些 muse， 因为 muse 这个产通过岩石通过水的都会产生各种信号，这些核反应的信号非常像中卫组的信号，所以把它去掉，要屏蔽缪子产生的紧信号，所以这个水是起两个作用。据我们五十二点 五公里之外的阳江和台山两个核电站，他这个核电站发电的时候，他就自动会产生这个中微子，所以我们就利用他产生的这个中微子，在这检测中微子，测量 它的性能。延时啊，对它是没有任何屏蔽，它就会进来，有非常小的比例的，这个中微指会跟这个液体闪烁体里面的直指发生反应，产生镇电指和中指， 那么正电子和中指就是我们想要看的这个中微子的信号。我们本身取速的时候是，呃，每秒钟是一千个视力，但是每天真正其中的中微子视力呃不到五十个， 主要我要从几千万个这个每天记录的视力里面要把这五十个中位子给挑出来，把我们想要测的中位子的正当参数和中位子的质量顺序也得把它测出来。

大家一起来探索一下地下七百米深处的国之重器， 这里就是在位于地下七百米的江门中微子实验的建设现场。那么在我身旁的这个大科学装置呢，就是用于捕捉宇宙幽灵粒子中微子的探测器。前一阵子报道之后啊，就有人开始解读了，地下七百米捕捉宇宙幽灵粒子， 你说幽灵，难道我们的科学家们真的是要捉鬼了吗？听完之后啊，科学家们也是哭笑不得，所以啊，专门请我们来科普辟谣。 其实中微子是宇宙爆炸之初就存在的一种最古老的原始粒子，他和电子一样，是组成物质世界的基本粒子之一。而且啊，中微子极其微小，他只有电子的千万分之一的质量，而且不带电，极难与物质发生碰撞反应。 比如说哈，我现在一伸手，其实每时每刻就有上亿的粒子从我的手掌穿行而过，但是我们却察觉不到。所以啊，幽灵粒子并非幽灵，而是指这种粒子像幽灵一样极其难以探测。 探测幽灵粒子为什么要在地下七百米呢？因为数百米的岩层啊，能够有效的屏蔽掉宇宙射线，而中微子呢，却可以轻易的抵达穿透。所以呢，这地下岩洞呢，也是提供了一个天然的绝佳的探测场所。 现在这个世界最大最灵敏的液体闪烁体中离子探测器即将建成，不久啊，我所在的这些区域呢，也都全部会注满用于实验探测的超纯水。那我们也期待着这个大科学装置呢，能够早日的建成，尽早取得新的发现，捕捉到幽灵粒子，为我们带来新的突破。