今年春天,MIT 物理博士生 Manu Srivastava 收到一封来自印度高中生的邮件,学生们希望参加 Beamline for Schools——一个让中学生使用粒子加速器束进行实验的国际竞赛,并寻找一位导师。Srivastava 正在 MIT 中心理论物理研究所(Leinweber Institute)跟随刘洪教授研究量子引力,平时会拒绝类似的请求,但这封邮件的真诚让他决定帮助他们。
在随后数月的邮件和电话沟通后,学生们获得了前往瑞士日内瓦 CERN 的机会,花了两周时间把他们的设想转化为真实实验。六名来自印度四所不同学校的高中生组成的 Team attoPION 在第 13 届 Beamline for Schools 中脱颖而出,成为 712 支队伍(来自 89 个国家、4500 多名学生)中仅有的五支入选队伍之一。
最初学生们已经提出了多个实验思路,Srivastava 的任务是帮助他们筛选出既可行又有科学价值的方案。最终他们决定测量介子(π)电荷交换过程:正介子 $\pi^{+}$ 与靶材中的中子 $n$ 相互作用,产生中性介子 $\pi^{0}$ 和正质子 $p$,即 $\pi^{+}+n\rightarrow\pi^{0}+p$。该反应的发生概率是他们要表征的关键。
Srivastava 认为,这一测量可能对深地下中微子实验(DUNE)有意义。DUNE 的共同发言人 Dave Newbold 解释说,了解介子在物质中的相互作用有助于量化 DUNE 测量中的不确定性,尤其是对中微子味道和能量的估计。如果实验成功,甚至可能产生可发表的结果。
在 CERN,学生们亲手操作探测器和数据采集系统,收集并分析数据,还参加了 CERN 科学家的报告会。实验前,他们与 Beamline for Schools 的支持科学家 Berare Göktürk 进行准备工作。Göktürk 指出,介子电荷交换过程极为罕见,学生们必须设计可靠的探测方案。面对仅有的 12 天试验时间,她提醒他们保持谦逊,认识到资源的局限性,同时强调“了解科学家的科研之旅”。
对 Srivastava 来说,这次指导让他走出理论物理的舒适区。MIT 的跨学科文化鼓励他参加各类研讨会,拓宽视野。作为在印度长大的科研工作者,他希望通过这次 mentorship 激励更多印度青年投身基础科学。正如他所说:“我高中时甚至不知道 CERN 是什么,但这些学生真的很优秀,值得所有的赞誉。”
点评