作者 | 朱秋雨

編輯 | 向治霖

在廣東江門開平市的玩笑一處山坳，一個即將改變世界認知的廣東個大國重大科學裝置正在地下700米處悄然運作。

8月26日，捉鬼由中國科學家主導、不開17個國家的玩笑科研人員共同參與，歷經(jīng)10年建設的廣東個大國重“地下”球型裝置，正式運行取數(shù)。捉鬼科學家的不開計劃，是玩笑尋找在空氣中看不見、摸不著，廣東個大國重可以任意穿越物體且?guī)缀醪慌c物質發(fā)生作用的捉鬼粒子——中微子。

因為過于神秘難料，不開物理界稱它為“幽靈粒子”。玩笑有戲言稱，“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和宇宙本質的基本問題。”

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。“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，那么這個發(fā)現(xiàn)一定不會特別重大?！蓖踬O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。總而言之，這個泡在液體里的“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。

探測器結構剖面圖

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，構成物質世界的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。”王貽芳回憶說，“（丁肇中說：）‘你千萬千萬不要出錯?！?/p>

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）?！?/p>

“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)?！庇锌茖W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，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量有關?！?/p>

“中微子質量如果為0的話，密度不同的結構是不可能存在的。所以中微子的性質對宇宙大爆炸之后如何演化到現(xiàn)在起了重要的作用。”王貽芳說。

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”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，產(chǎn)生了大量數(shù)目相當?shù)恼镔|和反物質。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，反物質的消失應該來自正物質和反物質有不同的性質，導致宇宙在大爆炸時，最后產(chǎn)生的正物質比反物質多一點。

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，對正物質和反物質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，使正物質和反物質存在一些差別。

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化為宇宙中的正反物質不對稱，最終導致當前的天體均由正物質組成。

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和反物質的差別也可能大。從此，眾多科學家和大國，將研究重心放在了對中微子的質量、性質測定。

“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仍要面對漫天的爭議。

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?！耙粋€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?！?/p>

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。”

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>