论文部分内容阅读
变化的中微子
对于自己正在研究的“中微子振荡”，曹俊的理解很简单，就好像一群马跑着跑着，一部分变成了牛，一部分变成了羊，而他的研究，则是“看看反应堆中出来的‘马’中微子，跑完一段路后还剩下多少个……”
作为基本粒子中的一个，中微子最大的特征就是变幻莫测，难以测量。在这个粒子还只是个猜测的时候，它的预言者、奥地利物理学家泡利曾认为自己的想法很荒谬——一个很小、不带电、几乎测不到的粒子，这听上去像皇帝的新装。泡利以一箱香槟酒为赌注，认为没人能观测到自己预言的那个粒子。不料26年后，他损失了一箱香槟。
利用氯化镉溶液，美国人首先捕捉到了中微子——在那玩意儿中，中微子会被捕获，然后通过液体闪光体发出光信号。被证实存在后，中微子的另一个麻烦出现了，它们会莫名其妙地消失。无论如何去捕获，能被抓住的太阳中微子都只有理论预言的1/3，当时的人们还知道中微子应该有3种，于是就有人想到，跑掉的那2/3是不是变成了其他种类的中微子，导致探测器观测不到。
到1998年，利用日本神冈町一个装了5万吨水的大水罐，人们发现了中微子变身的秘密，这种变身被称为“振荡”，3种中微子互相变化的振荡角度分别被写作：θ12、θ23和θ13。在过去几十年中，科学家们已经通过大气中微子和太阳中微子实验测量到了θ12和θ23。而且，2002年，因对“宇宙中微子”的测量，超级神冈实验的小柴昌俊和发现太阳中微子丢失的戴维斯被授予了诺贝尔物理学奖。至此，中微子振荡的框架几乎只需一个θ13就完美了。
2012年3月8日，曹俊所在的大亚湾中微子实验国际合作组公布了sin22θ13的数值——0.092，误差0.017——这是中国本土首次测到的基本物理学参数。消息传到美国的当天，李政道发来贺电：“这是物理学一个有基础重要性的成就。”接受《科学》杂志采访时，杰弗逊国家实验室的一位高能物理学家也评论道：这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。
4月27日，论文《大亚湾发现电子反中微子消失》在美国《物理评论快报》正式发表，作者是中科院高能所的研究员曹俊。
“唯象”物理
从玉泉路上的中国科学院研究生院向里走，经过一个被戏称为“科学技术顶个球”的雕像，就是高能物理研究所了，曹俊的主要工作场所就在这里。作为一个高能实验物理学家，曹俊的办公室里空荡荡的，没有书，桌上放了台手提电脑。我问他，是不是今天的粒子物理学家还像爱因斯坦的时代一样，只要一张纸一支笔就够了？“不是，现在主要靠它。”他指了指电脑。
他很耐心地向我们解释了一阵子振荡角度，“那不是个真实的角度，是一种参数化的表达方式，是个概率，中微子的变化概率随飞行距离呈余弦振荡，最多有sin22θ13的几率变成其他中微子……”不过，很抱歉的是，我和摄影师还是无法像物理学家一样，把概率看成像纸面上的三角形一样的真实具体的存在，于是，讨论很快进入了下一个问题。
“为什么要学物理？”
“小时候就对物理的、化学的、天文的东西很感兴趣，那时候看很多这方面的书，都很喜欢，惟一不感兴趣的是一本讲人类起源的书。”
在自然科学里，物理常被称作皇帝，数学被认为是皇后，一帝一后究竟谁更重要，争论不休且无结论，不过，总的来说，人们普遍认为，数学是逻辑的，物理是实验的。年轻时，曹俊曾立志做一个像霍金一样纯正的理论物理学家，能够用纯粹的数学作为研究工具，站在数学和物理的塔尖上，却因为研究生面试失利，到了高能所，后来又误打误撞进了实验物理的圈子。后来却证明这是好事情：“我的思维方式其实更适合做实验，不喜欢复杂公式，喜欢一闭上眼，物理过程能像电影一样在脑子里上演一遍。”
作为一个实验物理学家，曹俊没有时间看美剧《生活大爆炸》，他的大部分工作是解决有关实验的一些琐碎事情。他曾经花了两年多时间与机械、材料，甚至化学打交道，完成了中微子探测器的设计。至于理论，他说，偶尔他们也对实验结果进行一些“唯象”的分析——“唯象”，“意思是基于实验的”，不像那些更有野心的理论物理学家，能够在头脑中创造一整个宇宙，“我们只做基于实验结果的模型假设。”
我问这位物理学家：你是否觉得目前的物理学框架已经基本完成，基础物理学家已经无事可做了？“没有呀，”他说，“现在还有很多问题需要解决，比如‘上帝粒子’黑格斯，比如中微子——从历史上看，小乌云也许会导致新的物理学革命。”
终于见到你们了，真好！
从高能所博士毕业后，曹俊先去法国，又去了美国的费米实验室。2004年，应高能物理所的王贻芳（现任中科院高能物理研究所所长）之邀回国，在大亚湾核电站旁边的一座花岗岩的小山上，筹备一个寻找θ13的实验。
那几乎是地球上最适合测量θ13的地方——大亚湾核电站的功率是世界第二，释放的中微子足够多，而花岗岩的山体则可以阻隔宇宙射线的干扰。据说，在大亚湾实验基地的控制室，一块白色演示板上勾勒着一个卡通形象：“θ13”挥着手，出现在研究者面前，说：“终于见到你们了，真好！”
2011年8月15日，大亚湾实验第一个实验厅开始获取数据。今年3月，它公布了θ13的精确角度，这是人类第一次测到它。用了半年就获得重大成果，曹俊认为，“我们是幸运的，过程其实不顺利。”
2004年筹备之初，王贻芳就开始利用一切机会为大亚湾项目争取资金，最终，除了国内1.57亿人民币，大亚湾项目还拿到了美国能源部的3400万美元，成为美国能源部在国外投资的第二大基础科学项目。不包括前期的勘测设计，从2007年到2011年，大亚湾基地建了4年，在距大亚湾核电站360米的地下百米深处挖了3公里的隧道，建起了3个装有超过2000吨纯水的实验厅——“主要困难是在核电站附近的花岗岩中挖地道，爆破时，需要极高的安全标准”。不过，“利用施工的时间，完成了大部分的探测器制作，陆续运到现场组装。这样土建完成不久，我们就开始取数了。”
这样一个实验的成功秘诀是精密策划的吗？
“建设上需要精密策划，但好的物理成果都是无法规划的。日本超级神冈第一次测到大气中微子振荡的实验，原本是想测质子衰变，没测到，反倒意外地测到了中微子振荡。”
中微子的新物理
发现中微子第三种振荡的角度,会带来什么？
曹俊解释道：根据预先的计算，实验前我们就知道，如果θ13的数值太小，则中微子的CP相角无法测量，目前用中微子来解释宇宙中物质与反物质不对称的理论就可能是错的；但如果这个数值足够大，我们就能测量中微子的CP相角，用中微子来解释宇宙中物质与反物质的不对称。
而测量结果显示，θ13的数值出乎意料地大，“下一步，就该测CP相角了。”
那么，大亚湾实验会不会像日本的超级神冈实验一样，拿个诺贝尔奖？
未作迟疑，曹俊就很认真地回答：“靠现在的工作拿诺奖，不太可能。不过，谁都不知道，再过几年，这里会做出什么样的工作来，而且我们已经培养了一批很棒的年轻人……”
曹俊答《南方人物周刊》问
人物周刊:你对自己的现状满意吗？
曹俊：我觉得挺好。
人物周刊:你今天取得的成就，有什么样的心得可以与他人分享？
曹俊：我觉得我们这儿的年轻人，每个人都在踏踏实实工作，对物理的贡献都是很大的，其中一部分人因为运气，会做出大家都能看得见的东西，我就属于幸运的那一批。
大亚湾项目看上去蛮顺利的，2011年8月刚刚开始工作，经过了6个月，就开始有重要结果顺利出来了。不过顺利是大家看得见的，愁得睡不着也是经常的。我觉得，顺或不顺主要是看怎样去解决碰到的困难吧。
人物周刊:对你父母和他们成长的年代，你怎么看？你理解他们吗？
曹俊：没有代沟，我觉得我挺了解他们的。
人物周刊:你对这个时代有什么话不吐不快？
曹俊：我觉得没什么，要建设性地看问题。我觉得现在的中国，抱怨的人太多了。
人物周刊:你觉得你的同龄人最大的问题是什么？
曹俊：浮躁，被绑架的浮躁。我自己就经常遇见这种“被绑架的浮躁”。我经常发现，连续好几天，我会感觉自己没干活，找不到时间真正在思考物理问题，思考如何把数据处理得干净、漂亮。
后来我也考虑过，自己这些时间去哪了？为什么国内我这个年龄段的研究人员都会觉得自己很忙？然后我发现，如果在美国或者其他成熟的西方国家，我这个年龄的科学家基本上还属于亲自干活的，但在中国，我就得考虑些方向性，甚至管理方面的工作，然后让组里的年轻人去写代码、干活。这样肯定是有坏处的，我的学生跟我做同样的工作，完成质量肯定是不一样的。但这也比较矛盾，目前状况下,必须考虑如何把10个人的能力发挥到最大，把事情完成，而不仅仅是一个人去做一个质量更高的分析结果。
人物周刊:你认为什么样的人称得上有领袖气质？你的同龄人中够得上青年领袖的还有谁？
曹俊：我不知道。我只对科技界了解，但科技界其实不需要领袖，因为领袖大部分是一种组织行为。科技界应该是只有榜样，没有领袖。
人物周刊:责任、权利和个人自由，你最看重哪一个？
曹俊：责任吧。
人物周刊:对你影响最大的一本书、一部电影？
曹俊：电影不知道。书？该是小时候看的《十万个为什么》吧。
人物周刊:你有没有不安？最大的担忧是什么？
曹俊：我觉得你好几个问题都是面对困难怎么办。只要不怕困难，那就不用担心了。
人物周刊：作为一个物理学家,难道你从来没有担心过，中国在高能物理方面的投入会像美国一样缩减？
曹俊：那就是对中国整个前景的担忧了。我个人觉得，中国再（像现在这样）发展个20年没问题的，我们很多地方都不行，不行的话，就有很大的提高的余地。我们做探测器的时候，要去工厂，很多工厂的生产水平、管理水平都很差，很多地方看不顺眼。不过到最后，东西还是能做出来，我们的高要求也顺便提高了工厂的技术水平和管理水平。
曹俊是中科院高能物理研究所研究员，自2003年起从事大亚湾中微子实验的研究，先后负责物理与软件、中心探测器研制等工作，现在负责物理分析。今年3 月，大亚湾中微子国际合作组公布了中微子的θ13的数值，这是中国本土首次测到的基本物理学参数。当天，李政道发来贺电，“这是物理学一个有基础重要性的成就”，而在接受《科学》杂志采访时，美国杰弗逊国家实验室的一位高能物理学家说：这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。
对于自己正在研究的“中微子振荡”，曹俊的理解很简单，就好像一群马跑着跑着，一部分变成了牛，一部分变成了羊，而他的研究，则是“看看反应堆中出来的‘马’中微子，跑完一段路后还剩下多少个……”
作为基本粒子中的一个，中微子最大的特征就是变幻莫测，难以测量。在这个粒子还只是个猜测的时候，它的预言者、奥地利物理学家泡利曾认为自己的想法很荒谬——一个很小、不带电、几乎测不到的粒子，这听上去像皇帝的新装。泡利以一箱香槟酒为赌注，认为没人能观测到自己预言的那个粒子。不料26年后，他损失了一箱香槟。
利用氯化镉溶液，美国人首先捕捉到了中微子——在那玩意儿中，中微子会被捕获，然后通过液体闪光体发出光信号。被证实存在后，中微子的另一个麻烦出现了，它们会莫名其妙地消失。无论如何去捕获，能被抓住的太阳中微子都只有理论预言的1/3，当时的人们还知道中微子应该有3种，于是就有人想到，跑掉的那2/3是不是变成了其他种类的中微子，导致探测器观测不到。
到1998年，利用日本神冈町一个装了5万吨水的大水罐，人们发现了中微子变身的秘密，这种变身被称为“振荡”，3种中微子互相变化的振荡角度分别被写作：θ12、θ23和θ13。在过去几十年中，科学家们已经通过大气中微子和太阳中微子实验测量到了θ12和θ23。而且，2002年，因对“宇宙中微子”的测量，超级神冈实验的小柴昌俊和发现太阳中微子丢失的戴维斯被授予了诺贝尔物理学奖。至此，中微子振荡的框架几乎只需一个θ13就完美了。
2012年3月8日，曹俊所在的大亚湾中微子实验国际合作组公布了sin22θ13的数值——0.092，误差0.017——这是中国本土首次测到的基本物理学参数。消息传到美国的当天，李政道发来贺电：“这是物理学一个有基础重要性的成就。”接受《科学》杂志采访时，杰弗逊国家实验室的一位高能物理学家也评论道：这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。
4月27日，论文《大亚湾发现电子反中微子消失》在美国《物理评论快报》正式发表，作者是中科院高能所的研究员曹俊。
“唯象”物理
从玉泉路上的中国科学院研究生院向里走，经过一个被戏称为“科学技术顶个球”的雕像，就是高能物理研究所了，曹俊的主要工作场所就在这里。作为一个高能实验物理学家，曹俊的办公室里空荡荡的，没有书，桌上放了台手提电脑。我问他，是不是今天的粒子物理学家还像爱因斯坦的时代一样，只要一张纸一支笔就够了？“不是，现在主要靠它。”他指了指电脑。
他很耐心地向我们解释了一阵子振荡角度，“那不是个真实的角度，是一种参数化的表达方式，是个概率，中微子的变化概率随飞行距离呈余弦振荡，最多有sin22θ13的几率变成其他中微子……”不过，很抱歉的是，我和摄影师还是无法像物理学家一样，把概率看成像纸面上的三角形一样的真实具体的存在，于是，讨论很快进入了下一个问题。
“为什么要学物理？”
“小时候就对物理的、化学的、天文的东西很感兴趣，那时候看很多这方面的书，都很喜欢，惟一不感兴趣的是一本讲人类起源的书。”
在自然科学里，物理常被称作皇帝，数学被认为是皇后，一帝一后究竟谁更重要，争论不休且无结论，不过，总的来说，人们普遍认为，数学是逻辑的，物理是实验的。年轻时，曹俊曾立志做一个像霍金一样纯正的理论物理学家，能够用纯粹的数学作为研究工具，站在数学和物理的塔尖上，却因为研究生面试失利，到了高能所，后来又误打误撞进了实验物理的圈子。后来却证明这是好事情：“我的思维方式其实更适合做实验，不喜欢复杂公式，喜欢一闭上眼，物理过程能像电影一样在脑子里上演一遍。”
作为一个实验物理学家，曹俊没有时间看美剧《生活大爆炸》，他的大部分工作是解决有关实验的一些琐碎事情。他曾经花了两年多时间与机械、材料，甚至化学打交道，完成了中微子探测器的设计。至于理论，他说，偶尔他们也对实验结果进行一些“唯象”的分析——“唯象”，“意思是基于实验的”，不像那些更有野心的理论物理学家，能够在头脑中创造一整个宇宙，“我们只做基于实验结果的模型假设。”
我问这位物理学家：你是否觉得目前的物理学框架已经基本完成，基础物理学家已经无事可做了？“没有呀，”他说，“现在还有很多问题需要解决，比如‘上帝粒子’黑格斯，比如中微子——从历史上看，小乌云也许会导致新的物理学革命。”
终于见到你们了，真好！
从高能所博士毕业后，曹俊先去法国，又去了美国的费米实验室。2004年，应高能物理所的王贻芳（现任中科院高能物理研究所所长）之邀回国，在大亚湾核电站旁边的一座花岗岩的小山上，筹备一个寻找θ13的实验。
那几乎是地球上最适合测量θ13的地方——大亚湾核电站的功率是世界第二，释放的中微子足够多，而花岗岩的山体则可以阻隔宇宙射线的干扰。据说，在大亚湾实验基地的控制室，一块白色演示板上勾勒着一个卡通形象：“θ13”挥着手，出现在研究者面前，说：“终于见到你们了，真好！”
2011年8月15日，大亚湾实验第一个实验厅开始获取数据。今年3月，它公布了θ13的精确角度，这是人类第一次测到它。用了半年就获得重大成果，曹俊认为，“我们是幸运的，过程其实不顺利。”
2004年筹备之初，王贻芳就开始利用一切机会为大亚湾项目争取资金，最终，除了国内1.57亿人民币，大亚湾项目还拿到了美国能源部的3400万美元，成为美国能源部在国外投资的第二大基础科学项目。不包括前期的勘测设计，从2007年到2011年，大亚湾基地建了4年，在距大亚湾核电站360米的地下百米深处挖了3公里的隧道，建起了3个装有超过2000吨纯水的实验厅——“主要困难是在核电站附近的花岗岩中挖地道，爆破时，需要极高的安全标准”。不过，“利用施工的时间，完成了大部分的探测器制作，陆续运到现场组装。这样土建完成不久，我们就开始取数了。”
这样一个实验的成功秘诀是精密策划的吗？
“建设上需要精密策划，但好的物理成果都是无法规划的。日本超级神冈第一次测到大气中微子振荡的实验，原本是想测质子衰变，没测到，反倒意外地测到了中微子振荡。”
中微子的新物理
发现中微子第三种振荡的角度,会带来什么？
曹俊解释道：根据预先的计算，实验前我们就知道，如果θ13的数值太小，则中微子的CP相角无法测量，目前用中微子来解释宇宙中物质与反物质不对称的理论就可能是错的；但如果这个数值足够大，我们就能测量中微子的CP相角，用中微子来解释宇宙中物质与反物质的不对称。
而测量结果显示，θ13的数值出乎意料地大，“下一步，就该测CP相角了。”
那么，大亚湾实验会不会像日本的超级神冈实验一样，拿个诺贝尔奖？
未作迟疑，曹俊就很认真地回答：“靠现在的工作拿诺奖，不太可能。不过，谁都不知道，再过几年，这里会做出什么样的工作来，而且我们已经培养了一批很棒的年轻人……”
曹俊答《南方人物周刊》问
人物周刊:你对自己的现状满意吗？
曹俊：我觉得挺好。
人物周刊:你今天取得的成就，有什么样的心得可以与他人分享？
曹俊：我觉得我们这儿的年轻人，每个人都在踏踏实实工作，对物理的贡献都是很大的，其中一部分人因为运气，会做出大家都能看得见的东西，我就属于幸运的那一批。
大亚湾项目看上去蛮顺利的，2011年8月刚刚开始工作，经过了6个月，就开始有重要结果顺利出来了。不过顺利是大家看得见的，愁得睡不着也是经常的。我觉得，顺或不顺主要是看怎样去解决碰到的困难吧。
人物周刊:对你父母和他们成长的年代，你怎么看？你理解他们吗？
曹俊：没有代沟，我觉得我挺了解他们的。
人物周刊:你对这个时代有什么话不吐不快？
曹俊：我觉得没什么，要建设性地看问题。我觉得现在的中国，抱怨的人太多了。
人物周刊:你觉得你的同龄人最大的问题是什么？
曹俊：浮躁，被绑架的浮躁。我自己就经常遇见这种“被绑架的浮躁”。我经常发现，连续好几天，我会感觉自己没干活，找不到时间真正在思考物理问题，思考如何把数据处理得干净、漂亮。
后来我也考虑过，自己这些时间去哪了？为什么国内我这个年龄段的研究人员都会觉得自己很忙？然后我发现，如果在美国或者其他成熟的西方国家，我这个年龄的科学家基本上还属于亲自干活的，但在中国，我就得考虑些方向性，甚至管理方面的工作，然后让组里的年轻人去写代码、干活。这样肯定是有坏处的，我的学生跟我做同样的工作，完成质量肯定是不一样的。但这也比较矛盾，目前状况下,必须考虑如何把10个人的能力发挥到最大，把事情完成，而不仅仅是一个人去做一个质量更高的分析结果。
人物周刊:你认为什么样的人称得上有领袖气质？你的同龄人中够得上青年领袖的还有谁？
曹俊：我不知道。我只对科技界了解，但科技界其实不需要领袖，因为领袖大部分是一种组织行为。科技界应该是只有榜样，没有领袖。
人物周刊:责任、权利和个人自由，你最看重哪一个？
曹俊：责任吧。
人物周刊:对你影响最大的一本书、一部电影？
曹俊：电影不知道。书？该是小时候看的《十万个为什么》吧。
人物周刊:你有没有不安？最大的担忧是什么？
曹俊：我觉得你好几个问题都是面对困难怎么办。只要不怕困难，那就不用担心了。
人物周刊：作为一个物理学家,难道你从来没有担心过，中国在高能物理方面的投入会像美国一样缩减？
曹俊：那就是对中国整个前景的担忧了。我个人觉得，中国再（像现在这样）发展个20年没问题的，我们很多地方都不行，不行的话，就有很大的提高的余地。我们做探测器的时候，要去工厂，很多工厂的生产水平、管理水平都很差，很多地方看不顺眼。不过到最后，东西还是能做出来，我们的高要求也顺便提高了工厂的技术水平和管理水平。
曹俊是中科院高能物理研究所研究员，自2003年起从事大亚湾中微子实验的研究，先后负责物理与软件、中心探测器研制等工作，现在负责物理分析。今年3 月，大亚湾中微子国际合作组公布了中微子的θ13的数值，这是中国本土首次测到的基本物理学参数。当天，李政道发来贺电，“这是物理学一个有基础重要性的成就”，而在接受《科学》杂志采访时，美国杰弗逊国家实验室的一位高能物理学家说：这是首次来自中国的对物理科学的实质性贡献。