王貽芳：于微粒之間探尋宇宙奧秘

蒲雅杰

加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，是實(shí)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(guó)的必由之路。2023 年8 月11 日，中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、俄羅斯科學(xué)院外籍院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士王貽芳在寧作題為《探索無窮》的高端科普?qǐng)?bào)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(guó)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(zhēng)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(guó)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(duì)撞機(jī)的物理實(shí)驗(yàn)。隨后11 年，他在丁肇中的指導(dǎo)下開展對(duì)高能粒子的研究，參與研究宇宙起源的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)。

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(shí)候，包括王貽芳所在實(shí)驗(yàn)組在內(nèi)的眾多實(shí)驗(yàn)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(guó)科學(xué)院高能物理研究所的邀請(qǐng)，即使在美國(guó)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(guó)，擔(dān)任中國(guó)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(duì)撞機(jī)的改造升級(jí)

回國(guó)之前，王貽芳就設(shè)想在中國(guó)做一個(gè)大型的中微子探測(cè)器，然而，雖然當(dāng)時(shí)中國(guó)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(duì)。

機(jī)緣巧合的是，那時(shí)候北京譜儀Ⅲ項(xiàng)目需要負(fù)責(zé)人，王貽芳決定，暫時(shí)放下心中的中微子，投入北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的重大改造項(xiàng)目中。隨后，他擔(dān)任大型粒子探測(cè)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(jì)、研制、調(diào)試和運(yùn)行工作。

作為我國(guó)第一臺(tái)高能加速器，北京正負(fù)電子對(duì)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(jì)。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(shí)中國(guó)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(yàn)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(duì)“孤軍奮戰(zhàn)”。最終，這個(gè)直徑3.4 米、長(zhǎng)4 米、負(fù)載電流3 000 多安培、最大儲(chǔ)能達(dá)到1 000 萬焦耳的超導(dǎo)磁鐵被王貽芳的團(tuán)隊(duì)造了出來，不僅各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且價(jià)格還不到國(guó)外的1/3。

更重要的是，在這個(gè)過程中鍛煉了一支能干的科研隊(duì)伍，為之后的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)建立了優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)基礎(chǔ)。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(cè)θ13 已成為國(guó)際熱點(diǎn)，多個(gè)外國(guó)團(tuán)隊(duì)都打算進(jìn)行同類實(shí)驗(yàn)，于是他向高能物理研究所學(xué)術(shù)委員會(huì)提出了中微子實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，并得到了一些預(yù)研經(jīng)費(fèi)。之后，他細(xì)化了自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，但是整個(gè)項(xiàng)目大概需要2 億元的建設(shè)經(jīng)費(fèi)，這意味著獲得支持的難度很大。

盡管如此，自2003 年提出實(shí)驗(yàn)方案后，王貽芳的團(tuán)隊(duì)一直沒有停下研究的步伐，他們還在不斷完善和深化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、攻克關(guān)鍵技術(shù)、將概念圖變成工程圖，為機(jī)會(huì)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(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)缺口終于得到解決。2006年，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組正式成立。

2007 年10 月，該項(xiàng)目正式動(dòng)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(cè)器準(zhǔn)備就緒，但實(shí)際上彼時(shí)中國(guó)的開展速度已經(jīng)落后于國(guó)際上很多。日本T2K 中微子實(shí)驗(yàn)在2011 年6 月15 日就發(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，因此還不能被稱為“發(fā)現(xiàn)”。隨后，美國(guó)和法國(guó)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。這無疑給項(xiàng)目組帶來了巨大壓力，畢竟在科技競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)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(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)一邊搶時(shí)間，一邊做了非常詳盡的規(guī)劃。王貽芳大膽決定以8 個(gè)中微子探測(cè)器中的6 個(gè)提前取數(shù)，并且在探測(cè)器還沒有全部開始取數(shù)的時(shí)候，就先規(guī)劃將來發(fā)文章的方式，即先用近點(diǎn)探測(cè)器的結(jié)果把所有跟技術(shù)相關(guān)的研究做完，包括實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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。

實(shí)驗(yàn)開始后， 每天數(shù)據(jù)多達(dá)250GB，同時(shí)傳輸?shù)街袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所及其他國(guó)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(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組正式在北京宣布，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩，并成功測(cè)量到其振蕩概率。該實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的精度，測(cè)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(jì)顯著性達(dá)5.2 個(gè)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(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組成員、美國(guó)杰斐遜國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副主任羅伯特·麥克歐文評(píng)價(jià)：這次的發(fā)現(xiàn)是中國(guó)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(gè)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(shí)驗(yàn)之后，他提出了江門中微子實(shí)驗(yàn)設(shè)想。這個(gè)預(yù)計(jì)在2024 年建成運(yùn)行的裝置，包括位于地下700 米的洞室、大型水池、一個(gè)裝滿2 萬噸液體和光電倍增管的中微子探測(cè)器。實(shí)驗(yàn)首要的科學(xué)目標(biāo)，就是測(cè)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(guó)科學(xué)家提出了一個(gè)周長(zhǎng)為100 千米的高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建造方案。建設(shè)超級(jí)對(duì)撞機(jī)，將極大提升國(guó)家科技創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，是中國(guó)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(guó)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(duì)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(guó)高能物理事業(yè)到達(dá)一個(gè)又一個(gè)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(guó)爭(zhēng)光，這便是這個(gè)時(shí)代最為可貴的科學(xué)家精神。

文章來源：《科學(xué)家精神·創(chuàng)新篇》（科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社出版）

（責(zé)任編輯：白玉磊）