王貽芳：追蹤“幽靈粒子” 破譯宇宙密碼

◎ 本刊記者 蔣向利

王貽芳：追蹤“幽靈粒子” 破譯宇宙密碼

◎ 本刊記者 蔣向利

多年以來，研究中微子已成為王貽芳的一種生活方式。無論是被評(píng)上中組部“萬人計(jì)劃”杰出人才，當(dāng)選為2012年度十大科技創(chuàng)新人物；還是不久前因在粒子物理實(shí)驗(yàn)方面作出了多項(xiàng)具有重要國際影響的貢獻(xiàn)而榮獲2013年度何梁何利“科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”，他都能波瀾不驚。

王貽芳1984年畢業(yè)于南京大學(xué)物理系，1992年獲意大利佛羅倫薩大學(xué)博士學(xué)位，曾在美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)工作。2000年入選中科院“百人計(jì)劃”；2013年入選國家“萬人計(jì)劃”杰出人才。他身兼中國科學(xué)院高能物理研究所所長、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)國家實(shí)驗(yàn)室副主任、核探測(cè)與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國物理學(xué)會(huì)高能物理分會(huì)副理事長、中國核學(xué)會(huì)核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)分會(huì)理事長、亞洲未來加速器委員會(huì)副主席、國際未來加速器委員會(huì)委員、全球華人物理學(xué)會(huì)理事等職，曾參加L3，AMS，Palo Verde和KamLand等實(shí)驗(yàn)，在中微子物理、宇宙線與天體物理、探測(cè)器設(shè)計(jì)與建造、數(shù)據(jù)分析方法等方面發(fā)表了200多篇文章。他首次提出“Swap Method” 以解決時(shí)間不對(duì)稱信號(hào)中的時(shí)間對(duì)稱本底問題，對(duì)低本底中微子實(shí)驗(yàn)具有重要意義；首次完整地計(jì)算出宇宙線引致的中子產(chǎn)額及能譜，掃除了國際上圍繞這一問題二十多年的混亂,對(duì)低本底中微子實(shí)驗(yàn)、質(zhì)子衰變、雙b衰變、暗物質(zhì)尋找等均有重要意義。

師承丁肇中

1984年5月，即將從南京大學(xué)畢業(yè)的王貽芳來到上海。在這里，他將參加丁肇中面向全國招收高能物理研究生的面試。

通過筆試進(jìn)入面試的王貽芳第一次見到了影響他一生的導(dǎo)師——丁肇中教授。

“他當(dāng)時(shí)問了幾個(gè)問題，比如‘波在海水中傳播，長波傳得遠(yuǎn)還是短波傳得遠(yuǎn)’，這些問題用大學(xué)普通物理的知識(shí)就能解決，但考驗(yàn)的是基礎(chǔ)牢不牢靠，能否靈活運(yùn)用。”王貽芳對(duì)那次面試記憶猶新。

毫無疑問，王貽芳獲得了丁肇中的青睞。隨后11年，從1985年到1996年，他在丁肇中的指導(dǎo)下研究高能粒子，參與L3實(shí)驗(yàn)。這為他以后從事中微子的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

丁肇中的L3實(shí)驗(yàn)位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心，那里擁有世界最大的粒子加速器。在L3實(shí)驗(yàn)組，王貽芳展露了物理天賦：一年時(shí)間內(nèi)發(fā)表3篇論文；1990年出任“新粒子尋找組”組長，在所有L3實(shí)驗(yàn)物理分析小組組長中，唯有他是一名學(xué)生；1991年，在被L3實(shí)驗(yàn)組內(nèi)部認(rèn)為是不可能的情況下，精確測(cè)量出了陶輕子的極化。

緣結(jié)中微子

但在歐核中心待了10年，王貽芳感到：L3實(shí)驗(yàn)匯聚了14國、30多所科研機(jī)構(gòu)的400多名科學(xué)家，年輕人在這樣一個(gè)大型項(xiàng)目里，起到的作用和影響有限。

同時(shí)，美國斯坦福大學(xué)一個(gè)尚在設(shè)計(jì)階段、只有20人、研究中微子的小項(xiàng)目吸引了他。1996年，他向丁肇中請(qǐng)辭，并成為斯坦福大學(xué)項(xiàng)目里的骨干技術(shù)人員。

在這個(gè)小項(xiàng)目里，王貽芳什么都干，有時(shí)候甚至充當(dāng)電焊工。但正是什么都干，讓王貽芳了解了高能物理實(shí)驗(yàn)的各個(gè)方面。

也正是這個(gè)實(shí)驗(yàn)，中微子研究正式走進(jìn)王貽芳的物理世界。盡管當(dāng)時(shí)中微子還并非研究熱門，但王貽芳樂在其中。

尋找θ13

隨著斯坦福項(xiàng)目的結(jié)束，王貽芳不知不覺在美國已待了6年。工作已穩(wěn)定，買了房子，兒子和女兒也相繼出生，家庭也和諧。但他卻做了一個(gè)決定：回國。

2000年，王貽芳入選中國科學(xué)院“引進(jìn)國外杰出人才”，2001年12月他回到祖國，擔(dān)任中國科學(xué)院高能物理研究所一名普通的研究員。

2003年冬天，王貽芳留意到：關(guān)于利用反應(yīng)堆中微子來測(cè)θ13已成為國際熱點(diǎn)，多個(gè)外國團(tuán)隊(duì)正打算進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)。

2006年底，在許多人的努力下，由中國主導(dǎo)、中美兩國合作、100多位科學(xué)家參與的大亞灣中微子國際項(xiàng)目正式啟動(dòng)，這是美國能源部在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)ν馔顿Y第二大的國際合作。2007年10月，大亞灣核反應(yīng)堆300米外中微子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)啟動(dòng)。

經(jīng)過3年的建設(shè)、1年的安裝，2011年12月24日，大亞灣的探測(cè)器準(zhǔn)備就緒。但此時(shí)，中國已在這場(chǎng)尋找中微子的賽跑中落后許多。

早在2011年6月15日，日本T2K中微子實(shí)驗(yàn)就發(fā)表了θ13的測(cè)量結(jié)果，但置信度只有2.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差（按國際慣例，置信度在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差以下的測(cè)量結(jié)果叫跡象，處于3～5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之間的結(jié)果叫證據(jù)，超過5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果才叫發(fā)現(xiàn)）。盡管T2K的這個(gè)結(jié)果最多只能被稱作“跡象”，這一研究仍被歐洲的《物理世界》列為當(dāng)年十大物理突破的第7位。隨后美國和法國的實(shí)驗(yàn)也相繼宣布發(fā)現(xiàn)了1.7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的跡象，韓國的實(shí)驗(yàn)也在2011年8月開始運(yùn)行。

但55天之后，王貽芳卻領(lǐng)先一步。2012年3月8日，大亞灣國際實(shí)驗(yàn)測(cè)得新的中微子振蕩模式，即θ13，其數(shù)值為8.8度，置信度有5.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，也就是可以被明確稱作“發(fā)現(xiàn)”。

“這是中國本土迄今為止最重要的物理學(xué)成果，”大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國際合作組成員、美國杰佛遜國家實(shí)驗(yàn)室副主任羅伯特·麥克歐文這樣評(píng)價(jià)。

絕不把方案讓給美國

2005年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成立。中國（包括香港和臺(tái)灣地區(qū)）、美國、俄羅斯、捷克等6個(gè)國家和地區(qū)的30多個(gè)研究單位的190多位研究人員組成了一個(gè)龐大的團(tuán)隊(duì)。以王貽芳為代表的中方緊緊把握了實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)權(quán)。

這種主導(dǎo)權(quán)來之不易。最初的博弈主要來自美國。談判的時(shí)候，王貽芳“單刀赴會(huì)”，和十余位具有國際影響力的美國高能物理學(xué)家開始了主導(dǎo)權(quán)之爭(zhēng)。

雙方爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是大亞灣實(shí)驗(yàn)采用誰的方案。按照美國的方案走，可以爭(zhēng)取到國際合作，但中方的貢獻(xiàn)和地位就有限；反之，可能就沒有國際合作，項(xiàng)目可能根本無法在國內(nèi)立項(xiàng)。

王貽芳說：“我堅(jiān)信我的方案最正確。而且國家要花這么多錢，如果把方案讓給美國，讓他們得到成果，這種事情絕對(duì)不能做！”

在談判桌外，王貽芳也聚攏了一批國內(nèi)和美國華裔科學(xué)家，其中包括從美國歸來的項(xiàng)目副經(jīng)理曹俊、項(xiàng)目電子學(xué)負(fù)責(zé)人李小男等優(yōu)秀科學(xué)家。

最終，不愿缺席這一將對(duì)高能物理學(xué)界具有里程碑意義的大型實(shí)驗(yàn)的美國，同意了王貽芳的方案。

從分歧中歸納總結(jié)

能管理好龐大的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組，王貽芳將其歸功于在L3和斯坦福的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷。

在斯坦福研究中微子時(shí)，項(xiàng)目小，只有十幾個(gè)人。王貽芳很多時(shí)候都要自己親自動(dòng)手，每次做實(shí)驗(yàn)都需要考慮方方面面，特別是實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。

“這段經(jīng)歷讓我了解了高能物理的各個(gè)方面，讓我在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)中少走了很多彎路。”王貽芳說。

而在L3實(shí)驗(yàn)，匯聚了14國、30多所科研機(jī)構(gòu)的400多名科學(xué)家。王貽芳從丁肇中老師身上學(xué)到的重要一條就是：如何組織和協(xié)調(diào)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

“他總是能在聽取眾多分歧之后，找到一條大家都能接受的道路。這一點(diǎn)值得我學(xué)習(xí)。”王貽芳說。

在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組，出現(xiàn)不同意見是家常便飯，每每這個(gè)時(shí)候，王貽芳總是能迅速歸納總結(jié)，找到最合適的方法解決分歧。

希望學(xué)生對(duì)權(quán)威說“不”

歸國十幾年來，王貽芳帶過不少學(xué)生，很多都已經(jīng)成為行業(yè)骨干。談起這些學(xué)生，王貽芳說：“每次給他們定任務(wù)、定課題、定研究方向的時(shí)候，我總希望他們對(duì)我說‘不行’。”在王貽芳的心里，他希望把自己的學(xué)生培養(yǎng)成科學(xué)家，而不是一個(gè)高級(jí)工人。王貽芳說，也許學(xué)生想的不一定正確、尋找的研究方向或是歧路、考慮的或不夠全面，但敢于對(duì)權(quán)威說“不”、獨(dú)立思考，這是一種優(yōu)秀的科學(xué)品質(zhì)。“做一個(gè)優(yōu)秀的科學(xué)家需要這種品質(zhì)。”