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姚蕊 探索宇宙信號，這些“大國重器”各顯身手

“我們可以像《三體》那樣對外星人發(fā)送信號，并且收到回應(yīng)嗎？”5月23日，在墨子沙龍科技節(jié)特別活動中，一位小觀眾向“中國天眼”（FAST）工程研究員姚蕊提問。
不僅僅是FAST，人們對于正在建設(shè)中的江門中微子實驗室和地下2400米的錦屏山暗物質(zhì)實驗室，同樣感到好奇：科學(xué)家如何利用這些裝置探索宇宙中各種信號呢？
【500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡：發(fā)現(xiàn)500余顆脈沖星】
四百年前，伽利略用他那臺天文望遠(yuǎn)鏡指向天空，從此，人類的目光就再也沒有從廣袤無垠的宇宙中移開。1932年，人類第一次捕捉到來自太空的無線電波，天文學(xué)進(jìn)入射電時代。短短幾十年，射電天文學(xué)已經(jīng)為人類帶來了包括脈沖星、星際分子、微波背景輻射、類星體在內(nèi)的眾多重要發(fā)現(xiàn)，展示出巨大的價值，所以人類一直想要建設(shè)更高分辨率、更高靈敏度的射電望遠(yuǎn)鏡。
姚蕊 探索宇宙信號，這些“大國重器”各顯身手
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FAST工程研究員姚蕊
FAST,全稱是“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”，它建在貴州群山深處一個被稱作“大窩凼”的巨型喀斯特洼地里。2006年，F(xiàn)AST正式立項。高分辨率、高靈敏度的天文觀測能力背后，要求盡可能小的背景噪聲、遠(yuǎn)超既有技術(shù)水平的精密加工和測控技術(shù)，這需要的不僅是我國科學(xué)家的智慧，更體現(xiàn)了我國整體的工業(yè)發(fā)展水平。2019年4月，F(xiàn)AST通過了工藝驗收，所有指標(biāo)都一次性滿足最初的設(shè)計要求。
FAST投入使用以來，已發(fā)現(xiàn)了500余顆脈沖星，發(fā)表的高水平論文達(dá)到80余篇。回想FAST的建設(shè)過程，姚蕊感慨良多：從天馬行空的設(shè)想、到建設(shè)成功、投入使用，團(tuán)隊一直在質(zhì)疑聲中努力前進(jìn)，最終用出色的表現(xiàn)證明了項目的意義。未來，F(xiàn)AST將在科學(xué)家和工程師們的保駕護(hù)航下，為人類帶來更激動人心的來自宇宙的信息。
【中微子實驗室：發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩】
中微子被稱為幽靈粒子。中科院高能物理研究所曹俊研究員，為公眾揭開了正在建設(shè)中的江門中微子實驗室的“面紗”。
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中科院高能物理研究所曹俊研究員
在中微子研究方面，日本一直走在前列。他們的神岡實驗最初的目標(biāo)是尋找質(zhì)子衰變，小柴昌俊并沒有實現(xiàn)這個目標(biāo)，反而意外地發(fā)現(xiàn)了超新星爆發(fā)釋放的中微子，并主要因此被授予了2002年的諾貝爾獎。
世界上各國的科學(xué)家都嘗試用自己的方法探測中微子。2015年，兩位科學(xué)家——梶田隆章和麥克唐納，因為發(fā)現(xiàn)中微子的振蕩現(xiàn)象，證實了中微子有質(zhì)量，被授予了諾貝爾獎。這種超出粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的新現(xiàn)象，預(yù)示著我們需要對基本的物理規(guī)律重新理解，甚至還會幫助我們解釋宇宙的起源和演化。
中微子有3種振蕩模式，在大亞灣實驗之前，“大氣中微子實驗”和“太陽中微子實驗”已經(jīng)探測到了其中兩種，唯獨一種叫θ13的振蕩可能是由于太小，還沒有被觀測到。尋找這第三種振蕩，成為國際同行競爭的熱點，但最后成功建成實驗裝置的寥寥無幾，中國的大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗室就位列其中。
與FAST一樣，大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗室建設(shè)的過程同樣充滿艱辛，從選址布局、到技術(shù)攻關(guān)，一路摸索、一路前進(jìn)，終于在2012年，我國趕在其他國家之前，發(fā)現(xiàn)了新的中微子振蕩，打開了未來的中微子研究大門。2020年12月，運行了九年的大亞灣實驗停止運行，它不僅完成了既定的科學(xué)目標(biāo)，還取得了其他有科學(xué)價值的成果，這些是中國科學(xué)家對世界科學(xué)界做出的巨大貢獻(xiàn)。
接下來，江門中微子實驗將與美國的沙丘實驗、日本的頂級神岡一起，各自發(fā)揮優(yōu)勢，探索宇宙的未解之謎。
【地下2400米深處的暗物質(zhì)實驗室：爭取將靈敏度提高一個數(shù)量級】
“悟空”號衛(wèi)星的主要任務(wù)是探測暗物質(zhì)，而位于地下2400米深處，也有一個探測暗物質(zhì)的實驗室，這就是中國建在四川錦屏山的暗物質(zhì)實驗室，那里進(jìn)行著兩項重要的實驗：使用液氙探測大質(zhì)量暗物質(zhì)的“熊貓X”實驗，使用高純鍺探測輕質(zhì)量暗物質(zhì)的“盤古”實驗。上海交通大學(xué)的劉江來教授帶來了暗物質(zhì)粒子探測的故事。
姚蕊 探索宇宙信號，這些“大國重器”各顯身手
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上海交通大學(xué)劉江來教授
科學(xué)界普遍認(rèn)同，如果要形成我們今天看到的宇宙，僅靠可見物質(zhì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。高速運轉(zhuǎn)的天體，如果沒有暗物質(zhì)提供的引力，是不可能形成今天的宇宙結(jié)構(gòu)的。暗物質(zhì)很可能跟中微子一樣，彌散在整個宇宙中間，無處不在。

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