曹俊 樂觀的物理學(xué)家

　　變化的中微子
　　對于自己正在研究的“中微子振蕩”，曹俊的理解很簡單，就好像一群馬跑著跑著，一部分變成了牛，一部分變成了羊，而他的研究，則是“看看反應(yīng)堆中出來的‘馬’中微子，跑完一段路后還剩下多少個……”
　　作為基本粒子中的一個，中微子最大的特征就是變幻莫測，難以測量。在這個粒子還只是個猜測的時候，它的預(yù)言者、奧地利物理學(xué)家泡利曾認(rèn)為自己的想法很荒謬——一個很小、不帶電、幾乎測不到的粒子，這聽上去像皇帝的新裝。泡利以一箱香檳酒為賭注，認(rèn)為沒人能觀測到自己預(yù)言的那個粒子。不料26年后，他損失了一箱香檳。
　　利用氯化鎘溶液，美國人首先捕捉到了中微子——在那玩意兒中，中微子會被捕獲，然后通過液體閃光體發(fā)出光信號。被證實存在后，中微子的另一個麻煩出現(xiàn)了，它們會莫名其妙地消失。無論如何去捕獲，能被抓住的太陽中微子都只有理論預(yù)言的1/3，當(dāng)時的人們還知道中微子應(yīng)該有3種，于是就有人想到，跑掉的那2/3是不是變成了其他種類的中微子，導(dǎo)致探測器觀測不到。
　　到1998年，利用日本神岡町一個裝了5萬噸水的大水罐，人們發(fā)現(xiàn)了中微子變身的秘密，這種變身被稱為“振蕩”，3種中微子互相變化的振蕩角度分別被寫作：θ12、θ23和θ13。在過去幾十年中，科學(xué)家們已經(jīng)通過大氣中微子和太陽中微子實驗測量到了θ12和θ23。而且，2002年，因?qū)Α坝钪嬷形⒆印钡臏y量，超級神岡實驗的小柴昌俊和發(fā)現(xiàn)太陽中微子丟失的戴維斯被授予了諾貝爾物理學(xué)獎。至此，中微子振蕩的框架幾乎只需一個θ13就完美了。
　　2012年3月8日，曹俊所在的大亞灣中微子實驗國際合作組公布了sin22θ13的數(shù)值——0.092，誤差0.017——這是中國本土首次測到的基本物理學(xué)參數(shù)。消息傳到美國的當(dāng)天，李政道發(fā)來賀電：“這是物理學(xué)一個有基礎(chǔ)重要性的成就。”接受《科學(xué)》雜志采訪時，杰弗遜國家實驗室的一位高能物理學(xué)家也評論道：這是首次來自中國的對物理科學(xué)的實質(zhì)性貢獻(xiàn)。
　　4月27日，論文《大亞灣發(fā)現(xiàn)電子反中微子消失》在美國《物理評論快報》正式發(fā)表，作者是中科院高能所的研究員曹俊。
　　“唯象”物理
　　從玉泉路上的中國科學(xué)院研究生院向里走，經(jīng)過一個被戲稱為“科學(xué)技術(shù)頂個球”的雕像，就是高能物理研究所了，曹俊的主要工作場所就在這里。作為一個高能實驗物理學(xué)家，曹俊的辦公室里空蕩蕩的，沒有書，桌上放了臺手提電腦。我問他，是不是今天的粒子物理學(xué)家還像愛因斯坦的時代一樣，只要一張紙一支筆就夠了？“不是，現(xiàn)在主要靠它?！彼噶酥鸽娔X。
　　他很耐心地向我們解釋了一陣子振蕩角度，“那不是個真實的角度，是一種參數(shù)化的表達(dá)方式，是個概率，中微子的變化概率隨飛行距離呈余弦振蕩，最多有sin22θ13的幾率變成其他中微子……”不過，很抱歉的是，我和攝影師還是無法像物理學(xué)家一樣，把概率看成像紙面上的三角形一樣的真實具體的存在，于是，討論很快進(jìn)入了下一個問題。
　　“為什么要學(xué)物理？”
　　“小時候就對物理的、化學(xué)的、天文的東西很感興趣，那時候看很多這方面的書，都很喜歡，惟一不感興趣的是一本講人類起源的書。”
　　在自然科學(xué)里，物理常被稱作皇帝，數(shù)學(xué)被認(rèn)為是皇后，一帝一后究竟誰更重要，爭論不休且無結(jié)論，不過，總的來說，人們普遍認(rèn)為，數(shù)學(xué)是邏輯的，物理是實驗的。年輕時，曹俊曾立志做一個像霍金一樣純正的理論物理學(xué)家，能夠用純粹的數(shù)學(xué)作為研究工具，站在數(shù)學(xué)和物理的塔尖上，卻因為研究生面試失利，到了高能所，后來又誤打誤撞進(jìn)了實驗物理的圈子。后來卻證明這是好事情：“我的思維方式其實更適合做實驗，不喜歡復(fù)雜公式，喜歡一閉上眼，物理過程能像電影一樣在腦子里上演一遍。”
　　作為一個實驗物理學(xué)家，曹俊沒有時間看美劇《生活大爆炸》，他的大部分工作是解決有關(guān)實驗的一些瑣碎事情。他曾經(jīng)花了兩年多時間與機(jī)械、材料，甚至化學(xué)打交道，完成了中微子探測器的設(shè)計。至于理論，他說，偶爾他們也對實驗結(jié)果進(jìn)行一些“唯象”的分析——“唯象”，“意思是基于實驗的”，不像那些更有野心的理論物理學(xué)家，能夠在頭腦中創(chuàng)造一整個宇宙，“我們只做基于實驗結(jié)果的模型假設(shè)?！?br/>　　我問這位物理學(xué)家：你是否覺得目前的物理學(xué)框架已經(jīng)基本完成，基礎(chǔ)物理學(xué)家已經(jīng)無事可做了？“沒有呀，”他說，“現(xiàn)在還有很多問題需要解決，比如‘上帝粒子’黑格斯，比如中微子——從歷史上看，小烏云也許會導(dǎo)致新的物理學(xué)革命?！?br/>　　終于見到你們了，真好！
　　從高能所博士畢業(yè)后，曹俊先去法國，又去了美國的費米實驗室。2004年，應(yīng)高能物理所的王貽芳（現(xiàn)任中科院高能物理研究所所長）之邀回國，在大亞灣核電站旁邊的一座花崗巖的小山上，籌備一個尋找θ13的實驗。
　　那幾乎是地球上最適合測量θ13的地方——大亞灣核電站的功率是世界第二，釋放的中微子足夠多，而花崗巖的山體則可以阻隔宇宙射線的干擾。據(jù)說，在大亞灣實驗基地的控制室，一塊白色演示板上勾勒著一個卡通形象：“θ13”揮著手，出現(xiàn)在研究者面前，說：“終于見到你們了，真好！”
　　2011年8月15日，大亞灣實驗第一個實驗廳開始獲取數(shù)據(jù)。今年3月，它公布了θ13的精確角度，這是人類第一次測到它。用了半年就獲得重大成果，曹俊認(rèn)為，“我們是幸運的，過程其實不順利。”
　　2004年籌備之初，王貽芳就開始利用一切機(jī)會為大亞灣項目爭取資金，最終，除了國內(nèi)1.57億人民幣，大亞灣項目還拿到了美國能源部的3400萬美元，成為美國能源部在國外投資的第二大基礎(chǔ)科學(xué)項目。不包括前期的勘測設(shè)計，從2007年到2011年，大亞灣基地建了4年，在距大亞灣核電站360米的地下百米深處挖了3公里的隧道，建起了3個裝有超過2000噸純水的實驗廳——“主要困難是在核電站附近的花崗巖中挖地道，爆破時，需要極高的安全標(biāo)準(zhǔn)”。不過，“利用施工的時間，完成了大部分的探測器制作，陸續(xù)運到現(xiàn)場組裝。這樣土建完成不久，我們就開始取數(shù)了。”
　　這樣一個實驗的成功秘訣是精密策劃的嗎？
　　“建設(shè)上需要精密策劃，但好的物理成果都是無法規(guī)劃的。日本超級神岡第一次測到大氣中微子振蕩的實驗，原本是想測質(zhì)子衰變，沒測到，反倒意外地測到了中微子振蕩?！?br/>　　中微子的新物理
　　發(fā)現(xiàn)中微子第三種振蕩