作者 | 朱秋雨

編輯 | 向治霖

在廣東江門開平市的一處山坳，一個即將改變世界認知的大科學裝置正在地下700米處悄然運作。

8月26日，由中國科學家主導、17個國家的科研人員共同參與，歷經(jīng)10年建設的“地下”球型裝置，正式運行取數(shù)?？茖W家的計劃，是尋找在空氣中看不見、摸不著，可以任意穿越物體且?guī)缀醪慌c物質(zhì)發(fā)生作用的粒子——中微子。

因為過于神秘難料，物理界稱它為“幽靈粒子”。有戲言稱，“這就是‘阿飄’，也可以直接說是‘鬼’”“一天（科學家）能抓十幾個”。

但實驗物理學遠沒有外界想象的輕松。江門中微子試驗探測器（JUNO)定下了一個看似微小，但對物理界而言難度極高的目標——找到中微子的質(zhì)量排序。8月26日，項目牽頭人、首席科學家王貽芳表示：“完成JUNO探測器灌注并開始運行取數(shù)，是一個歷史性的里程碑。這是國際上首次運行這樣一個超大規(guī)模和超高精度的中微子專用大科學裝置，將使我們能夠回答關于物質(zhì)和宇宙本質(zhì)的基本問題。”

江門中微子實驗正式運行

從2013年立項到正式運行的10多年來，這一“大國重器”曾多次面臨外界的質(zhì)疑。傾注極高人力物力成本造就的“世界之最”，能否產(chǎn)生顛覆物理學的結(jié)果，或者換來一個“諾貝爾物理學獎”，都是未知數(shù)。

而中國科學家的答案是，在科學分析和論證的基礎上，最大程度地堅持自己。

這樣的態(tài)度適用于任何想要做出創(chuàng)新成就的人?！翱茖W如果在開始發(fā)現(xiàn)之前，你就承諾說一定能發(fā)現(xiàn)什么粒子，那么這個發(fā)現(xiàn)一定不會特別重大。”王貽芳說。往前走，與未知性共存，是JUNO代表的科學精神。

微小的與最大的

許多第一次見到JUNO的人，都會為眼前“大國重器”的規(guī)模和設計所震撼。這個與外界隔絕的圓球型探測器，直徑35.4米，放置于地下700米處，深44米的水池中央。球型 “外殼”由4.5萬只“黃金眼”組成，遠看就像地底佇立著一顆散發(fā)黃色光芒的恒星。

“黃金眼”名叫作光電倍增管，可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，供科學界用軟件分析中微子。為了讓難以捕捉的中微子盡快“現(xiàn)身”，球型裝置內(nèi)部還灌注了2萬噸液體閃爍體（簡稱“液閃”），規(guī)模是美國同類型中微子實驗室的1667倍?？偠灾@個泡在液體里的“球”，是世界最大的中微子探測器，代表了中國在高能物理領域的最高水平。

探測器結(jié)構(gòu)剖面圖

如此大規(guī)模的建設，卻是為了尋找一類微小的粒子。這類粒子困擾了物理學界多年，成為許多物理學家的“夢魘”：名叫中微子的粒子無處不在，而人們卻很難成功“捕獲”它。

每秒，有3億億個太陽中微子穿過每個人的身體。甚至，人體內(nèi)因鉀-40衰變，每天會產(chǎn)生4億個中微子。由于中微子實在是太小，很難用各種工具觀測到，一度，它被認為是一種沒有質(zhì)量的“逆天”粒子。

1950年代開始，實驗物理學家相繼運用最大規(guī)模的裝置，將探測器建設在地下或者核反應堆旁，或者太空上，試圖確立微小的中微子的存在?！爸Z貝爾物理學獎”此后頻繁在粒子物理學領域“開花”，至今有4次授予了在中微子領域取得發(fā)現(xiàn)的科學家們。

其中一位獲得者，是華裔物理學家丁肇中。他在40歲得諾獎后，又花了21年，領導600多人的團隊，驗證了物理學的經(jīng)典模型。那就是，構(gòu)成物質(zhì)世界的12種基本的粒子中，中微子占了其中的3種。

王貽芳是丁肇中在1980年代在瑞士日內(nèi)瓦招的唯一一位中國大陸學生。如今，他成為了江門中微子實驗探測器的主導者。上世紀末，他相繼在最頂尖的歐洲核子研究中心（CERN）、麻省理工大學、斯坦福大學工作。但在2001年，他選擇回國，做當時國內(nèi)只有極少數(shù)人了解的中微子研究。

王貽芳/圖源：中國科學院大學

回國的第二個項目，王貽芳直奔粒子物理學最重大、也是熱門的研究——尋找中微子的第三種振蕩模式。

“振蕩”在物理學形容的是一個美麗又短暫的現(xiàn)象：中微子在運行過程中總是憑空消失一部分，不是它真的消亡了，而是它振蕩變成了別的中微子。這也符合經(jīng)典物理學的“能量守恒定律”。

在這之前，已經(jīng)有兩種振蕩模式被其他國家的科學家發(fā)現(xiàn)。第一種中微子振蕩是1998年日本超級神岡實驗中發(fā)現(xiàn)的大氣中微子振蕩；第二種振蕩是加拿大SNO實驗發(fā)現(xiàn)的太陽中微子振蕩。王貽芳想要抓緊找到第三種。

他曾在《探索“宇宙隱形人”》一書中比喻：3種中微子就好比蘋果摘下來時有綠、紅、黃三種顏色。在運輸蘋果的過程中，顏色會發(fā)生變化，綠蘋果可能變?yōu)辄S或者紅，黃蘋果也可能變成紅或者綠蘋果。當運輸距離不同時，蘋果變色的概率也會不同。

日本以及加拿大做的中微子實驗，“已經(jīng)測量到了‘綠蘋果’經(jīng)過長距離運輸后變成黃蘋果或紅蘋果的可能性”。而他想測量的是，在短距離運輸時“蘋果”的變色概率。這個概率由混合角θ13決定，是當時物理學的大難點。

2003年冬，王貽芳正式提出了大亞灣中微子方案，想在深圳大亞灣核電站旁，開鑿研究中微子的地下實驗室。他有他堅實的理論依據(jù)和方案：核反應堆本身是中微子最大的來源地之一，加上大亞灣核電站緊靠排牙山，天然能屏蔽宇宙其他射線和元素的干擾。

江門中微子實驗正式運行

唯一的缺點是，這個方案造價高昂，需要國際專家的通力合作。

經(jīng)過一輪又一輪的論證、協(xié)商，王貽芳主導的“中國方案”最終與美國科學家達成合作，成為與韓國RENO、法國的Double Chooz并列的三大中微子實驗室。大亞灣實驗室正式取數(shù)的55天后，2012年3月8日，王貽芳團隊宣布，率先以5倍標準偏差，發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式，混合角θ13的數(shù)值得到測量。

這一發(fā)現(xiàn)影響巨大。在物理學領域，5倍標準偏差意味著不允許有任何出錯以及意外情況，對應發(fā)生概率為99.999943%。這一成果入選《科學》雜志“年度十大科學突破”，王貽芳作為中國專家，斬獲2016年“基礎物理學突破獎”。

大亞灣實驗室的成功，促進了江門中微子實驗室的落地。一年后，江門中微子實驗室獲批，兩年后開工建設，這個大國重器被賦予了最重要的科學目標——測量中微子質(zhì)量排序。這是全球粒子物理學家都迫切想知道的。

江門中微子實驗

最大的不同是，江門中微子實驗探測器比大亞灣的規(guī)模要大200倍，需要的是世界最頂尖的人才。2023年，連主導過大型物理實驗的丁肇中參觀江門中微子實驗室時，也對學生王貽芳發(fā)出感嘆，稱自己從來沒見過這么大規(guī)模的一個實驗。

“他第二個評價就是，可以想象這樣一個實驗這么復雜，規(guī)模這么大，很容易出錯?！蓖踬O芳回憶說，“（丁肇中說：）‘你千萬千萬不要出錯。’”

揭開最大謎團的窗口

主導一次耗時10年建設的工程，這不僅對王貽芳而言是第一次，在中國和世界都是第一的。粒子物理學界在多年發(fā)展中數(shù)次實踐了相似邏輯——“形象地說，挑選中微子就如同從100萬顆黃豆挑出1顆綠豆（中微子）。”

“所以，要想準確快速地挑出中微子，就要努力減少‘黃豆’的顆數(shù)。”有科學家比喻。這也是江門中微子實驗室選擇在地下700米鑿出實驗室的原因：只有到更深、更暗、更干凈的地方，我們才能精準地讓中微子現(xiàn)身。

實驗大廳內(nèi)，4個中微子探測器通過網(wǎng)絡直播向大眾呈現(xiàn)/圖源：廣州日報

許多人隨即提問：中微子到底有什么樣的作用，值得人類傾注一切力量，把它們抓到。

每當這時，王貽芳的答案通常是令人“暈頭轉(zhuǎn)向”的。因為，他會從粒子的組成以及宇宙的起源開始講起。

“目前還不知道如何利用，但是中微子跟我們每個人都有關系?！彼f，“宇宙在早期大爆炸的時候，整個空間有一個密度的漲落，這個差別最后變得越來越大，不均勻性越來越強，衍生出了銀河系、太陽系。這些都和中微子的質(zhì)量有關。”

“中微子質(zhì)量如果為0的話，密度不同的結(jié)構(gòu)是不可能存在的。所以中微子的性質(zhì)對宇宙大爆炸之后如何演化到現(xiàn)在起了重要的作用?！蓖踬O芳說。

這里的大背景是，中微子不只是粒子物理學的研究范疇，也在天體物理學和宇宙學的范疇。多年來，一個困擾了諸多物理學家，讓天體物理停滯不前的問題，是“反物質(zhì)”的消失問題。

也就是說，物理學經(jīng)過多年的研究，發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸在開始的極短時間內(nèi)，產(chǎn)生了大量數(shù)目相當?shù)恼镔|(zhì)和反物質(zhì)。而現(xiàn)有的物理模型無法解釋接下來的變化。

探測器裝置的模型/圖源：廣州日報

反物質(zhì)究竟是如何“不見”的，科學家們認為的一個研究方向是，反物質(zhì)的消失應該來自正物質(zhì)和反物質(zhì)有不同的性質(zhì)，導致宇宙在大爆炸時，最后產(chǎn)生的正物質(zhì)比反物質(zhì)多一點。

只是，通過實驗，科學家發(fā)現(xiàn)，無論是（萬有）引力、電磁相互作用還是強相互作用，對正物質(zhì)和反物質(zhì)的影響是完全一樣的。按照物理學的語言，這是一種優(yōu)美的“對稱性”。

這時，只剩下已知的最后一種基本相互作用力——弱相互作用力，使正物質(zhì)和反物質(zhì)存在一些差別。

很多科學家因此將目光放在中微子的研究上。作為“幽靈粒子”，科學家們發(fā)現(xiàn)，中微子不像別的粒子和夸克，它不會被前述三種基本作用力吸引，只參加弱相互作用。物理學家將正、反中微子的差別命名為“CP破壞”，并用“CP破壞相角”來描述這一差別。

圖源：中國科學院高能物理研究所

中微子從此變成研究反物質(zhì)的窗口?？茖W家們相信，倘若CP破壞相角足夠大，量子反常過程會將輕子反輕子不對稱轉(zhuǎn)化為宇宙中的正反物質(zhì)不對稱，最終導致當前的天體均由正物質(zhì)組成。

2012年，大亞灣實驗室對混合角θ13的成功測定給了很多人信心。王貽芳團隊發(fā)現(xiàn)，混合角θ13足夠大，這說明中微子的正物質(zhì)和反物質(zhì)的差別也可能大。從此，眾多科學家和大國，將研究重心放在了對中微子的質(zhì)量、性質(zhì)測定。

“這便是宇宙的奇妙之處了。銀河系的尺度約為10萬光年，觀測到的宇宙的尺度更是達到了137億光年，但是宇宙最基本的組成單元卻只有6種夸克及電子、中微子等17種基本粒子以及反粒子?！蓖踬O芳寫道：“要揭開宇宙的最大謎團‘反物質(zhì)去哪里了’，也依賴于空間尺度小于10的負18次方米的粒子物理學?！?/p>

“這也意味著物理學極大和極小的統(tǒng)一?！?/p>

實驗物理的意義

即使有了充分的科學目標和科學論據(jù)，主張建設大型物理裝置的實驗物理學家們?nèi)砸鎸β斓臓幾h。

2012年，被稱為“上帝粒子”的希格斯粒子（Higgs）被歐洲核子中心（CERN）的探測器發(fā)現(xiàn)。這一結(jié)果令粒子物理學界都感到激動，很多人相信，粒子物理學研究要進入一個全新篇章。

王貽芳很快提出，中國要建設一個成本可控的超大環(huán)形對撞機，從而進一步研究希格斯粒子。他堅信，這個超大對撞機一旦建成，中國將有機會在技術路徑和設計方向上引領世界，領先世界幾十年。

只是，當聽說他的方案把建設超大對撞機分“兩步走”，第一步耗資約400億元，第二步耗資1000億元時，很多人都產(chǎn)生了懷疑。

相似地，王貽芳在主導建設中微子實驗室時，周圍也充滿各種疑慮和反對聲。

為了測量混合角θ13，2003年冬，王貽芳帶著經(jīng)過反復測算的“大亞灣實驗”方案在國內(nèi)四處游說。據(jù)報道，王貽芳提出在大亞灣做中微子實驗后，反對聲貫穿了從提案到落地以及最終取數(shù)的10年。

王貽芳/圖源：《閃耀的平凡》

開第一次籌備會時，很多參會者都表達了“做不成，肯定做不成”的想法。連負責挖隧道的施工隊都表示，這個隧道太復雜了，挖不出來。

建設江門實驗室時，更大的難題來了。江門中微子探測器與世界現(xiàn)存和曾經(jīng)有的同類探測器相比，尺寸和規(guī)模都是最大的。而且，這個實驗建造在地下700米處，周圍裸露的巖石隨處可見。洞室里還有具有天然放射性的氡氣，這在地下密閉環(huán)境中含量可能很高，對人體有害。

困難都是難以預料的。據(jù)中國科學院高能物理研究所研究員衡月昆回憶，當項目開始往地下開建時，施工人員遇到的第一個難題竟是地下水的洶涌侵襲。“一個小時大概有500噸的水涌出來，把要這些水抽上來，項目才能再往前推進。”

除了需要克服有害的氣體和不斷涌出的地下水，中微子探測器還需要大量“日本制造”的光電倍增管。日本濱松公司曾對王貽芳揚言，中國人一定做不出來。為了打破日本公司的技術壟斷，王貽芳團隊歷時11年，自主研發(fā)了20英寸高性能光電倍增管，成功將成本降低至進口的四分之一。

中心探測器內(nèi)部的有機玻璃球及光電倍增管/劉悅湘 攝

上述困難用時間為尺度可以量化，5年、10年、20年……一個項目進展可能耗費科學家半輩子的心血。實驗物理學家經(jīng)常要面對的是無法對抗的時間，以及一輩子想要證明自己的野心。

“對于高能物理學領域來說，我們經(jīng)常會用10年時間來讓我們設想落地。然后再有10年時間去建設，等到再有成果的時候已經(jīng)30年了?！蓖踬O芳受訪時說。在物理學的進展面前，人的尺度和能力看上去都非常有限。

如果活不到得到答案的一天呢？或者，最“血淋淋”的問題：研究中微子那么多年，人們倘若最后發(fā)現(xiàn)中微子無用，怎么辦？

很多人都問過王貽芳類似的問題。他的答案是一致的，相信科學的進程和未來的正確。

他會坦率地承認，現(xiàn)階段無法確定把中微子質(zhì)量測出來后，會帶來何種顛覆性成果。但是，“科學如果在開始發(fā)現(xiàn)之前，你就承諾說一定能發(fā)現(xiàn)什么粒子，這個發(fā)現(xiàn)一定不會特別重大”，王貽芳說。

JUNO探測到的一個反應堆中微子事例

比起關心反對聲音，或者擔心糟糕的運氣，王貽芳選擇最大程度地相信科學，并因此最大程度堅持自己。

他在受訪時說：“科學上，這樣也行，那樣也行的事很多……遇到大家有不同意見的時候，可能有人覺得我為什么這么強硬，這么堅持，那我認為是我看清楚了這個結(jié)果，把道理想清楚了，這是個學術的問題。既然我已經(jīng)看清楚，那當然我會堅持?！?/p>

他知道實驗物理學的限制，也有過預判。等江門中微子實驗室出成果時，他說不定已經(jīng)退休了。而從一開始設計時，江門中微子實驗室的目標是運行30年，后期可升級改造為世界最靈敏的無中微子雙貝塔衰變實驗室，將給更多實驗騰出空間。

而在幾十年為尺度的大型實驗面前，物理研究的意義不只在于結(jié)果。

王貽芳說：“高能物理實驗，核心的核心不在于最后的數(shù)據(jù)分析，不在于最后發(fā)文章，而是在于思想，在于你設計的設備。只要把這個設備做出來，該發(fā)現(xiàn)的Higgs（希格斯粒子）就永遠在那，跑不掉的?！?/p>

科學獎勵的是做好充分準備，愿意等待到最后的人。

“我們要追求的，是中國擁有一個這樣的大型裝備，”王貽芳說，“我不確保此后我們會得到諾貝爾獎，但我們要追求，中國可以成為世界科學中心，今后的技術中心?！?/p>