大国总师 | 去地下700米抓“幽灵粒子”——专访江门中微子实验首席科学家王贻芳

镜花水月

什么？！科学家正在地下捉“鬼”？
但这个“鬼”，不是你想的那个鬼，而是被称为“幽灵粒子”的中微子。它，几乎无处不在，每秒有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体，我们却丝毫感觉不到。
要在浩瀚宇宙中捕捉到这个“幽灵”，如同大海捞针。广东江门的一处静谧山体深处，地下700米，中国科学家历时10余年建了一个大“玻璃球”，正在抓中微子。
费这么大力气捕捉中微子，究竟是要干什么？今天，《大国总师》对话江门中微子实验（JUNO）首席科学家王贻芳，听他讲讲中微子。
（一）“幽灵粒子”是个啥？
首先要说的是，它太神秘了！
中微子是宇宙基本的粒子之一，也是最古老的物质粒子。现在，宇宙中每个角落都弥漫着巨量中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，每立方厘米大概有300个。
它们以接近光速运动，几乎不与任何物质相互作用，穿透能力特别强，极难被探测，因此有“幽灵粒子”之称。打个比方，地球的直径约是12700多公里，穿过地球这么厚的物质，100亿个中微子可能只会被截住一个。

中微子就像宇宙留给人类的一道谜题，直到1956年，人类才首次通过核反应堆捕捉到中微子的踪迹。从那时起，中微子便成为物理学研究的重要课题，但至今仍有许多未解之谜。
这，引发了全球科学家的无限好奇。
“在构成物质世界的12种基本粒子中，中微子占了其中的3种。如果中微子有一点点质量，对于研究整个宇宙的起源、演化和发展，乃至宇宙星系的性质会有很大影响。”王贻芳说。
科学家们认为，广泛存在于物质世界中的中微子，携带着非常多重要的神秘信息，其中就包括反物质世界的信息。
真的存在反物质世界吗？如果真的存在，它在哪里？
或许，能从中微子里找到答案。

从提出中微子假说，到首次发现中微子，再到证明中微子具有极其微小的质量，全世界科学家用了将近70年。中微子质量排序是目前全球争相研究的前沿热点难题，在此之前，有关中微子的重大发现，多次获得诺贝尔物理学奖。
“我们的职责就是发现前人没有发现的规律，产生新知识。”怀揣着对未知的好奇，从20世纪80年代开始，王贻芳奋战在基础科学研究一线。在中国做中微子振荡实验，成为他一大心愿。
2003年，王贻芳带领团队论证设计了我国第一代中微子实验装置——大亚湾中微子实验，并于2012年发现新的中微子振荡模式。《科学》杂志将这个发现列为当年“全球十大科学进展”。
如今，江门中微子实验接过了接力棒，开始测量中微子的质量顺序，有望揭开“幽灵粒子”的另一个神秘面纱。
（二）为何要去地下700米？
相信很多人会好奇，捕捉中微子的大科学装置长什么样？
如果俯瞰，中微子的中心探测器好似一个超级大的西瓜，浸泡在44米深的水池当中，正睁大“眼睛”寻找中微子的踪迹。水池顶部，则是面积约1000平方米的宇宙射线径迹探测器。

至于为何要建在地下？答案是过滤“噪音”。
王贻芳告诉记者，地面上有很强的宇宙射线，会干扰对中微子的探测。700米山体和岩层就相当于过滤器，可将宇宙射线的强度大幅降低，让研究者得到纯净的中微子信号。
江门中微子实验是世界上首个运行的超大规模、超高精度中微子专用大科学装置。当然，这个“大”，也意味着前所未有的技术挑战。
“之前国际上类似的实验只有我们的1/20，甚至1/50，不可能沿用过去小装置的方法，必须发明全新的技术。”王贻芳说。

在王贻芳身上，综合着坚毅果断与严谨理性，面对一个接一个的难关，总是坚持而不妥协地克服。
他常说，“我们做科学研究的人，一辈子做的事都是第一次，不可能有别人替你做出来，只能靠自己。”
凭借一股拼劲，王贻芳带领团队研制出新型光电倍增管及其水下防爆系统；研发出高洁净度、高密封、高效率的液闪纯化系统；完成直径41.1米的不锈钢网架等关键部件的设计、研制及安装；制造出直径达35.4米的有机玻璃球……创下多个“世界之最”。

江门中微子实验装置，从今年8月26日开始运行，取数。王贻芳来实验室的频次，也由建设时期的每月一次，变为不定时来一次。可这里，依旧是他放不下的牵挂。 
“这个装置设计寿命是30年，除非关门，或者被拆掉，否则我一直都会为它操心，直到我闭眼那天。”王贻芳说。
（三）捕捉看不见的粒子，究竟为了什么？
建成世界最大的中微子探测器，仅仅是开始，真正的挑战在于，如何从海量的干扰信号中，捕捉到那些看不见的粒子。
“装置主要捕捉来自台山和阳江核电站产生的中微子，每天能探测到50个左右的中微子。”王贻芳语气平缓，然而，这个数字背后却是每秒1000个事例、每天数千万数据中的精准筛选。

中微子，从1930年起就吸引着全球科学家的目光，一代代研究者前赴后继。现在，江门中微子实验的数据开始大量产生并在合作组内共享，一场揭开中微子奥秘的国际竞赛，已经悄然开启。
“谁能赢，取决于谁先做出来探测器。当然，科学上很大程度上也有运气在里面。”王贻芳说。
预计未来三五年，他们的研究会有比较好的成果，“如果运气好的话，能碰上一次超新星爆发。虽然银河系每百年才有一次超新星爆发，人类已有300多年未见，未来30年再看到一次的可能性，应该说还不小。”
从酝酿筹建到运行取数，王贻芳陪伴这个项目走了17年。当被问及是否有过动摇，甚至被质疑时，他说，“中国有领先的科学装置最重要，我们不能缺席基础科学研究的最前沿。”
与年轻时，在欧洲核子研究中心参与既定课题不同，王贻芳在中国实现了自主设计实验的梦想。“只有做独一无二的装置，才能体现不可替代的贡献。”在他看来，中国占世界五分之一的人口和经济总量，理应对科学作出相应比例的贡献。

这么多年了，经常有人问王贻芳，你们做中微子研究，有什么用？向大家解释这份“重要”之外，王贻芳的思考则更为深远。
“中国有四大发明，知道怎么制作火药，但根本不知道背后的化学规律，没有发展出相应的科学体系。”他认为，从历史来看，因为不重视基础科学，中国吃过太多亏。
站在微观与宏观世界的交汇处，王贻芳这样定义科学工作的意义：无论是经济，还是技术，最终都依赖科学，科学一定要先行一步。他希望通过几代人的努力，赶上我们过去落后的阶段，在人类文明发展史上留下中国人的贡献。

策划:储学军 车玉明 刘洪

统筹:李晓云 黄玫

记者:李由 马晓澄

编导:刘袁媛 于子茹

导演:刘厦

摄像:陈雪莹 伍嘉炜 俞欢

素材提供:中国科学院高能物理研究所

设计:史泽瀚

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