王貽芳：于微粒之間探尋宇宙奧秘

□文/蒲雅杰

加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，是實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的迫切要求，是建設(shè)世界科技強(qiáng)國的必由之路。2023 年8 月11 日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院高能物理研究所所長、俄羅斯科學(xué)院外籍院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士王貽芳在寧作題為《探索無窮》的高端科普報告，帶公眾一起領(lǐng)略基礎(chǔ)科學(xué)的魅力。

作為當(dāng)今中國中微子研究領(lǐng)域的帶頭人，盡管研究過程伴隨著不可忽視的爭議和壓力，王貽芳始終投入百分之百的熱情和精力，奮斗在高能物理事業(yè)上，帶來一次又一次的科研創(chuàng)新和物理學(xué)重大突破。本刊特發(fā)此文，為讀者講述王貽芳院士的科研故事。

——編者

緣起中微子

1984 年，于南京大學(xué)物理系原子核物理專業(yè)畢業(yè)后，王貽芳順利通過丁肇中面向全國招收高能物理研究生的考核，并赴歐洲核子中心開始參與丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的高能正負(fù)電子對撞機(jī)的物理實驗。隨后11 年，他在丁肇中的指導(dǎo)下開展對高能粒子的研究，參與研究宇宙起源的L3 實驗。這為他以后從事中微子的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

王貽芳院士作高端科普報告 攝影/劉成賀

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元，是物質(zhì)世界的基本粒子之一，被稱為“破解宇宙起源密碼的鑰匙”。它質(zhì)量很微小，數(shù)量卻很龐大，是一種非常難以捕捉的微粒。一種中微子在飛行過程中可以變成另一種中微子，然后再變回來，這便是中微子振蕩現(xiàn)象，而3 種中微子之間可發(fā)生3種中微子振蕩。那時候，包括王貽芳所在實驗組在內(nèi)的眾多實驗組都在研究中微子振蕩。1998 年，一種中微子振蕩被日本科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)了，雖有遺憾，但王貽芳很快迎來了新的機(jī)遇。

2001 年，王貽芳接受了中國科學(xué)院高能物理研究所的邀請，即使在美國的工作和生活都已經(jīng)穩(wěn)定，他還是帶著妻子和一雙兒女回到了祖國，擔(dān)任中國科學(xué)院高能物理研究所一名普通的研究員。

挑戰(zhàn)北京正負(fù)電子對撞機(jī)的改造升級

回國之前，王貽芳就設(shè)想在中國做一個大型的中微子探測器，然而，雖然當(dāng)時中國的科研條件和水平已取得了很大進(jìn)步，進(jìn)行中微子研究卻沒有想象中的那么容易，最關(guān)鍵的是沒有合適的研究團(tuán)隊。

機(jī)緣巧合的是，那時候北京譜儀Ⅲ項目需要負(fù)責(zé)人，王貽芳決定，暫時放下心中的中微子，投入北京正負(fù)電子對撞機(jī)的重大改造項目中。隨后，他擔(dān)任大型粒子探測器第三代北京譜儀分總體的主任，全面負(fù)責(zé)裝置的設(shè)計、研制、調(diào)試和運行工作。

作為我國第一臺高能加速器，北京正負(fù)電子對撞機(jī)是高能物理研究的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一。既然選擇自主創(chuàng)新，就意味著要從零開始設(shè)計。為了制造北京譜儀Ⅲ的關(guān)鍵部件之一——超導(dǎo)磁鐵，即使當(dāng)時中國從未嘗試過制造這么巨大的超導(dǎo)磁鐵，但經(jīng)過3 年多的研究，經(jīng)驗基本為零的高能物理研究所還是做出了合格的磁鐵。這期間出現(xiàn)了各種問題，合作公司考慮經(jīng)濟(jì)利益選擇退出，只剩下王貽芳帶領(lǐng)團(tuán)隊“孤軍奮戰(zhàn)”。最終，這個直徑3.4 米、長4 米、負(fù)載電流3 000 多安培、最大儲能達(dá)到1 000 萬焦耳的超導(dǎo)磁鐵被王貽芳的團(tuán)隊造了出來，不僅各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，而且價格還不到國外的1/3。

更重要的是，在這個過程中鍛煉了一支能干的科研隊伍，為之后的大亞灣中微子實驗建立了優(yōu)秀的團(tuán)隊基礎(chǔ)。

大亞灣中微子實驗項目組的誕生

中微子的前兩種振蕩模式，即太陽中微子振蕩（θ12）和大氣中微子振蕩（θ23），相繼于1998 年及2001 年被發(fā)現(xiàn)，但第三種振蕩模式（θ13）遲遲未能找到，這使得全世界高能物理學(xué)家都將目光聚焦于第三種振蕩。

2003 年，王貽芳開始留意到，利用反應(yīng)堆中微子來測θ13已成為國際熱點，多個外國團(tuán)隊都打算進(jìn)行同類實驗，于是他向高能物理研究所學(xué)術(shù)委員會提出了中微子實驗計劃，并得到了一些預(yù)研經(jīng)費。之后，他細(xì)化了自己的實驗設(shè)計方案，但是整個項目大概需要2 億元的建設(shè)經(jīng)費，這意味著獲得支持的難度很大。

盡管如此，自2003 年提出實驗方案后，王貽芳的團(tuán)隊一直沒有停下研究的步伐，他們還在不斷完善和深化實驗設(shè)計、攻克關(guān)鍵技術(shù)、將概念圖變成工程圖，為機(jī)會的來臨做了充足準(zhǔn)備。

最終，廣東省深圳市向他們拋出了橄欖枝，項目的經(jīng)費缺口終于得到解決。2006年，大亞灣中微子實驗項目組正式成立。

2007 年10 月，該項目正式動工，在深圳市區(qū)以東約50 千米的大亞灣核電站群附近開挖地下山洞。

揭開θ13 的謎底

經(jīng)過3 年的建設(shè)和1 年的安裝，2011年12 月24 日，大亞灣的探測器準(zhǔn)備就緒，但實際上彼時中國的開展速度已經(jīng)落后于國際上很多。日本T2K 中微子實驗在2011 年6 月15 日就發(fā)表了θ13的測量結(jié)果，但置信度只有2.5 個標(biāo)準(zhǔn)偏差，因此還不能被稱為“發(fā)現(xiàn)”。隨后，美國和法國的實驗也相繼宣布發(fā)現(xiàn)了1.7 個標(biāo)準(zhǔn)偏差的跡象。這無疑給項目組帶來了巨大壓力，畢竟在科技競爭的時代，永遠(yuǎn)只承認(rèn)第一的位置。

為此，王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣中微子實驗團(tuán)隊一邊搶時間，一邊做了非常詳盡的規(guī)劃。王貽芳大膽決定以8 個中微子探測器中的6 個提前取數(shù)，并且在探測器還沒有全部開始取數(shù)的時候，就先規(guī)劃將來發(fā)文章的方式，即先用近點探測器的結(jié)果把所有跟技術(shù)相關(guān)的研究做完，包括實驗方法、技術(shù)手段、誤差來源等，然后在當(dāng)年12 月發(fā)表一篇技術(shù)類的文章。這樣，等實驗數(shù)據(jù)出來之后，新的文章就不需要再討論技術(shù)問題，只要參考之前的文章就行了。

1984 年開工建造的北京正負(fù)電子對撞機(jī)

江門中微子實驗探測器示意圖

實驗開始后，每天數(shù)據(jù)多達(dá)250 GB，同時傳輸?shù)街袊茖W(xué)院高能物理研究所及其他國家（地區(qū)）各合作單位，而中方的分析是最快的，最終結(jié)果也采用了中方的分析。

2012 年3 月8 日，大亞灣中微子實驗國際合作組正式在北京宣布，大亞灣中微子實驗發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并成功測量到其振蕩概率。該實驗達(dá)到了前所未有的精度，測得第三種中微子振蕩模式的振蕩幅度為9.2%，誤差為1.7%，統(tǒng)計顯著性達(dá)5.2 個標(biāo)準(zhǔn)偏差，無振蕩的可能性只有千萬分之一。全世界的粒子物理學(xué)家通過網(wǎng)絡(luò)直播得知了這一領(lǐng)先全球的研究結(jié)果。大亞灣中微子實驗國際合作組成員、美國杰斐遜國家實驗室副主任羅伯特·麥克歐文評價：這次的發(fā)現(xiàn)是中國本土迄今為止最重要的物理學(xué)成果。

繼往開來，勇攀高峰

作為一個膽大心細(xì)的科學(xué)家，王貽芳從來不是思維固化的人，他始終有著高度的創(chuàng)新精神。

大亞灣中微子實驗之后，他提出了江門中微子實驗設(shè)想。這個預(yù)計在2024 年建成運行的裝置，包括位于地下700 米的洞室、大型水池、一個裝滿2 萬噸液體和光電倍增管的中微子探測器。實驗首要的科學(xué)目標(biāo)，就是測量中微子質(zhì)量順序。

2012 年希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)后，尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理是未來粒子物理的發(fā)展方向。以王貽芳為首的我國科學(xué)家提出了一個周長為100 千米的高能環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)的建造方案。建設(shè)超級對撞機(jī)，將極大提升國家科技創(chuàng)新能力和國際競爭力，是中國高能物理學(xué)的一次重大歷史機(jī)遇，可能改變世界高能物理研究的格局，將使我國的基礎(chǔ)物理學(xué)研究在未來30 年中成為世界第一。

作為一名優(yōu)秀的高能物理學(xué)家、科學(xué)家團(tuán)隊領(lǐng)導(dǎo)者，王貽芳始終保持著高度的專業(yè)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，不斷在創(chuàng)新中突破，力求帶領(lǐng)中國高能物理事業(yè)到達(dá)一個又一個領(lǐng)先世界的高峰。于微觀之間破譯物質(zhì)宇宙的密碼，醉心事業(yè)，不辭辛勞，敢想敢拼，勇于為國爭光，這便是這個時代最為可貴的科學(xué)家精神。