王贻芳：于微粒之间探寻宇宙奥秘

□文/蒲雅杰

加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。2023 年8 月11 日，中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所所长、俄罗斯科学院外籍院士、发展中国家科学院院士王贻芳在宁作题为《探索无穷》的高端科普报告，带公众一起领略基础科学的魅力。

作为当今中国中微子研究领域的带头人，尽管研究过程伴随着不可忽视的争议和压力，王贻芳始终投入百分之百的热情和精力，奋斗在高能物理事业上，带来一次又一次的科研创新和物理学重大突破。本刊特发此文，为读者讲述王贻芳院士的科研故事。

——编者

缘起中微子

1984 年，于南京大学物理系原子核物理专业毕业后，王贻芳顺利通过丁肇中面向全国招收高能物理研究生的考核，并赴欧洲核子中心开始参与丁肇中领导的高能正负电子对撞机的物理实验。随后11 年，他在丁肇中的指导下开展对高能粒子的研究，参与研究宇宙起源的L3 实验。这为他以后从事中微子的研究打下了坚实的基础。

王贻芳院士作高端科普报告 摄影/刘成贺

中微子是构成物质世界的最基本单元，是物质世界的基本粒子之一，被称为“破解宇宙起源密码的钥匙”。它质量很微小，数量却很庞大，是一种非常难以捕捉的微粒。一种中微子在飞行过程中可以变成另一种中微子，然后再变回来，这便是中微子振荡现象，而3 种中微子之间可发生3种中微子振荡。那时候，包括王贻芳所在实验组在内的众多实验组都在研究中微子振荡。1998 年，一种中微子振荡被日本科学家首先发现了，虽有遗憾，但王贻芳很快迎来了新的机遇。

2001 年，王贻芳接受了中国科学院高能物理研究所的邀请，即使在美国的工作和生活都已经稳定，他还是带着妻子和一双儿女回到了祖国，担任中国科学院高能物理研究所一名普通的研究员。

挑战北京正负电子对撞机的改造升级

回国之前，王贻芳就设想在中国做一个大型的中微子探测器，然而，虽然当时中国的科研条件和水平已取得了很大进步，进行中微子研究却没有想象中的那么容易，最关键的是没有合适的研究团队。

机缘巧合的是，那时候北京谱仪Ⅲ项目需要负责人，王贻芳决定，暂时放下心中的中微子，投入北京正负电子对撞机的重大改造项目中。随后，他担任大型粒子探测器第三代北京谱仪分总体的主任，全面负责装置的设计、研制、调试和运行工作。

作为我国第一台高能加速器，北京正负电子对撞机是高能物理研究的重大科技基础设施之一。既然选择自主创新，就意味着要从零开始设计。为了制造北京谱仪Ⅲ的关键部件之一——超导磁铁，即使当时中国从未尝试过制造这么巨大的超导磁铁，但经过3 年多的研究，经验基本为零的高能物理研究所还是做出了合格的磁铁。这期间出现了各种问题，合作公司考虑经济利益选择退出，只剩下王贻芳带领团队“孤军奋战”。最终，这个直径3.4 米、长4 米、负载电流3 000 多安培、最大储能达到1 000 万焦耳的超导磁铁被王贻芳的团队造了出来，不仅各项指标达到设计要求，而且价格还不到国外的1/3。

更重要的是，在这个过程中锻炼了一支能干的科研队伍，为之后的大亚湾中微子实验建立了优秀的团队基础。

大亚湾中微子实验项目组的诞生

中微子的前两种振荡模式，即太阳中微子振荡（θ12）和大气中微子振荡（θ23），相继于1998 年及2001 年被发现，但第三种振荡模式（θ13）迟迟未能找到，这使得全世界高能物理学家都将目光聚焦于第三种振荡。

2003 年，王贻芳开始留意到，利用反应堆中微子来测θ13已成为国际热点，多个外国团队都打算进行同类实验，于是他向高能物理研究所学术委员会提出了中微子实验计划，并得到了一些预研经费。之后，他细化了自己的实验设计方案，但是整个项目大概需要2 亿元的建设经费，这意味着获得支持的难度很大。

尽管如此，自2003 年提出实验方案后，王贻芳的团队一直没有停下研究的步伐，他们还在不断完善和深化实验设计、攻克关键技术、将概念图变成工程图，为机会的来临做了充足准备。

最终，广东省深圳市向他们抛出了橄榄枝，项目的经费缺口终于得到解决。2006年，大亚湾中微子实验项目组正式成立。

2007 年10 月，该项目正式动工，在深圳市区以东约50 千米的大亚湾核电站群附近开挖地下山洞。

揭开θ13 的谜底

经过3 年的建设和1 年的安装，2011年12 月24 日，大亚湾的探测器准备就绪，但实际上彼时中国的开展速度已经落后于国际上很多。日本T2K 中微子实验在2011 年6 月15 日就发表了θ13的测量结果，但置信度只有2.5 个标准偏差，因此还不能被称为“发现”。随后，美国和法国的实验也相继宣布发现了1.7 个标准偏差的迹象。这无疑给项目组带来了巨大压力，毕竟在科技竞争的时代，永远只承认第一的位置。

为此，王贻芳领导的大亚湾中微子实验团队一边抢时间，一边做了非常详尽的规划。王贻芳大胆决定以8 个中微子探测器中的6 个提前取数，并且在探测器还没有全部开始取数的时候，就先规划将来发文章的方式，即先用近点探测器的结果把所有跟技术相关的研究做完，包括实验方法、技术手段、误差来源等，然后在当年12 月发表一篇技术类的文章。这样，等实验数据出来之后，新的文章就不需要再讨论技术问题，只要参考之前的文章就行了。

1984 年开工建造的北京正负电子对撞机

江门中微子实验探测器示意图

实验开始后，每天数据多达250 GB，同时传输到中国科学院高能物理研究所及其他国家（地区）各合作单位，而中方的分析是最快的，最终结果也采用了中方的分析。

2012 年3 月8 日，大亚湾中微子实验国际合作组正式在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并成功测量到其振荡概率。该实验达到了前所未有的精度，测得第三种中微子振荡模式的振荡幅度为9.2%，误差为1.7%，统计显著性达5.2 个标准偏差，无振荡的可能性只有千万分之一。全世界的粒子物理学家通过网络直播得知了这一领先全球的研究结果。大亚湾中微子实验国际合作组成员、美国杰斐逊国家实验室副主任罗伯特·麦克欧文评价：这次的发现是中国本土迄今为止最重要的物理学成果。

继往开来，勇攀高峰

作为一个胆大心细的科学家，王贻芳从来不是思维固化的人，他始终有着高度的创新精神。

大亚湾中微子实验之后，他提出了江门中微子实验设想。这个预计在2024 年建成运行的装置，包括位于地下700 米的洞室、大型水池、一个装满2 万吨液体和光电倍增管的中微子探测器。实验首要的科学目标，就是测量中微子质量顺序。

2012 年希格斯粒子被发现后，寻找超出标准模型的新物理是未来粒子物理的发展方向。以王贻芳为首的我国科学家提出了一个周长为100 千米的高能环形正负电子对撞机的建造方案。建设超级对撞机，将极大提升国家科技创新能力和国际竞争力，是中国高能物理学的一次重大历史机遇，可能改变世界高能物理研究的格局，将使我国的基础物理学研究在未来30 年中成为世界第一。

作为一名优秀的高能物理学家、科学家团队领导者，王贻芳始终保持着高度的专业性和严谨性，不断在创新中突破，力求带领中国高能物理事业到达一个又一个领先世界的高峰。于微观之间破译物质宇宙的密码，醉心事业，不辞辛劳，敢想敢拼，勇于为国争光，这便是这个时代最为可贵的科学家精神。