王貽芳：于微粒之間探尋宇宙奧秘

蒲雅杰

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

作為當今中國中微子研究領域的帶頭人，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上，帶來一次又一次的科研創新和物理學重大突破。本刊特發此文，為讀者講述王貽芳院士的科研故事。

——編者

緣起中微子

1984 年，于南京大學物理系原子核物理專業畢業后，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導的高能正負電子對撞機的物理實驗。隨后11 年，他在丁肇中的指導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。

中微子是構成物質世界的最基本單元，是物質世界的基本粒子之一，被稱為“破解宇宙起源密碼的鑰匙”。它質量很微小，數量卻很龐大，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象，而3 種中微子之間可發生3種中微子振蕩。那時候，包括王貽芳所在實驗組在內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家首先發現了，雖有遺憾，但王貽芳很快迎來了新的機遇。

2001 年，王貽芳接受了中國科學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穩定，他還是帶著妻子和一雙兒女回到了祖國，擔任中國科學院高能物理研究所一名普通的研究員。

挑戰北京正負電子對撞機的改造升級

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

機緣巧合的是，那時候北京譜儀Ⅲ項目需要負責人，王貽芳決定，暫時放下心中的中微子，投入北京正負電子對撞機的重大改造項目中。隨后，他擔任大型粒子探測器第三代北京譜儀分總體的主任，全面負責裝置的設計、研制、調試和運行工作。

作為我國第一臺高能加速器，北京正負電子對撞機是高能物理研究的重大科技基礎設施之一。既然選擇自主創新，就意味著要從零開始設計。為了制造北京譜儀Ⅲ的關鍵部件之一——超導磁鐵，即使當時中國從未嘗試過制造這么巨大的超導磁鐵，但經過3 年多的研究，經驗基本為零的高能物理研究所還是做出了合格的磁鐵。這期間出現了各種問題，合作公司考慮經濟利益選擇退出，只剩下王貽芳帶領團隊“孤軍奮戰”。最終，這個直徑3.4 米、長4 米、負載電流3 000 多安培、最大儲能達到1 000 萬焦耳的超導磁鐵被王貽芳的團隊造了出來，不僅各項指標達到設計要求，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秀的團隊基礎。

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 年被發現，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，利用反應堆中微子來測θ13 已成為國際熱點，多個外國團隊都打算進行同類實驗，于是他向高能物理研究所學術委員會提出了中微子實驗計劃，并得到了一些預研經費。之后，他細化了自己的實驗設計方案，但是整個項目大概需要2 億元的建設經費，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計、攻克關鍵技術、將概念圖變成工程圖，為機會的來臨做了充足準備。

最終，廣東省深圳市向他們拋出了橄欖枝，項目的經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

經過3 年的建設和1 年的安裝，2011年12 月24 日，大亞灣的探測器準備就緒，但實際上彼時中國的開展速度已經落后于國際上很多。日本T2K 中微子實驗在2011 年6 月15 日就發表了θ13 的測量結果，但置信度只有2.5 個標準偏差，因此還不能被稱為“發現”。隨后，美國和法國的實驗也相繼宣布發現了1.7 個標準偏差的跡象。這無疑給項目組帶來了巨大壓力，畢竟在科技競爭的時代，永遠只承認第一的位置。

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

實驗開始后， 每天數據多達250GB，同時傳輸到中國科學院高能物理研究所及其他國家（地區）各合作單位，而中方的分析是最快的，最終結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現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%，統計顯著性達5.2 個標準偏差，無振蕩的可能性只有千萬分之一。全世界的粒子物理學家通過網絡直播得知了這一領先全球的研究結果。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：這次的發現是中國本土迄今為止最重要的物理學成果。

繼往開來，勇攀高峰

作為一個膽大心細的科學家，王貽芳從來不是思維固化的人，他始終有著高度的創新精神。

大亞灣中微子實驗之后，他提出了江門中微子實驗設想。這個預計在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。實驗首要的科學目標，就是測量中微子質量順序。

2012 年希格斯粒子被發現后，尋找超出標準模型的新物理是未來粒子物理的發展方向。以王貽芳為首的我國科學家提出了一個周長為100 千米的高能環形正負電子對撞機的建造方案。建設超級對撞機，將極大提升國家科技創新能力和國際競爭力，是中國高能物理學的一次重大歷史機遇，可能改變世界高能物理研究的格局，將使我國的基礎物理學研究在未來30 年中成為世界第一。

作為一名優秀的高能物理學家、科學家團隊領導者，王貽芳始終保持著高度的專業性和嚴謹性，不斷在創新中突破，力求帶領中國高能物理事業到達一個又一個領先世界的高峰。于微觀之間破譯物質宇宙的密碼，醉心事業，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家精神。

文章來源：《科學家精神·創新篇》（科學技術文獻出版社出版）

（責任編輯：白玉磊）