作者 | 朱秋雨

編輯 | 向治霖

在廣東江門(mén)開(kāi)平市的玩笑一處山坳，一個(gè)即將改變世界認知的廣東個(gè)大國重大科學(xué)裝置正在地下700米處悄然運作。

8月26日，捉鬼由中國科學(xué)家主導、不開(kāi)17個(gè)國家的玩笑科研人員共同參與，歷經(jīng)10年建設的廣東個(gè)大國重“地下”球型裝置，正式運行取數。捉鬼科學(xué)家的不開(kāi)計劃，是玩笑尋找在空氣中看不見(jiàn)、摸不著(zhù)，廣東個(gè)大國重可以任意穿越物體且幾乎不與物質(zhì)發(fā)生作用的捉鬼粒子——中微子。

因為過(guò)于神秘難料，不開(kāi)物理界稱(chēng)它為“幽靈粒子”。玩笑有戲言稱(chēng)，“這就是‘阿飄’，也可以直接說(shuō)是‘鬼’”“一天（科學(xué)家）能抓十幾個(gè)”。

但實(shí)驗物理學(xué)遠沒(méi)有外界想象的輕松。江門(mén)中微子試驗探測器（JUNO)定下了一個(gè)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(xué)家王貽芳表示：“完成JUNO探測器灌注并開(kāi)始運行取數，是一個(gè)歷史性的里程碑。這是國際上首次運行這樣一個(gè)超大規模和超高精度的中微子專(zhuān)用大科學(xué)裝置，將使我們能夠回答關(guān)于物質(zhì)和宇宙本質(zhì)的基本問(wèn)題?！?/p>

江門(mén)中微子實(shí)驗正式運行

從2013年立項到正式運行的10多年來(lái)，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(xué)的結果，或者換來(lái)一個(gè)“諾貝爾物理學(xué)獎”，都是未知數。

而中國科學(xué)家的答案是，在科學(xué)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(xué)如果在開(kāi)始發(fā)現之前，你就承諾說(shuō)一定能發(fā)現什么粒子，那么這個(gè)發(fā)現一定不會(huì )特別重大?！蓖踬O芳說(shuō)。往前走，與未知性共存，是JUNO代表的科學(xué)精神。

微小的與最大的

許多第一次見(jiàn)到JUNO的人，都會(huì )為眼前“大國重器”的規模和設計所震撼。這個(gè)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(wàn)只“黃金眼”組成，遠看就像地底佇立著(zhù)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(xué)界用軟件分析中微子。為了讓難以捕捉的中微子盡快“現身”，球型裝置內部還灌注了2萬(wàn)噸液體閃爍體（簡(jiǎn)稱(chēng)“液閃”），規模是美國同類(lèi)型中微子實(shí)驗室的1667倍?？偠灾?，這個(gè)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(lǐng)域的最高水平。

探測器結構剖面圖

如此大規模的建設，卻是為了尋找一類(lèi)微小的粒子。這類(lèi)粒子困擾了物理學(xué)界多年，成為許多物理學(xué)家的“夢(mèng)魘”：名叫中微子的粒子無(wú)處不在，而人們卻很難成功“捕獲”它。

每秒，有3億億個(gè)太陽(yáng)中微子穿過(guò)每個(gè)人的身體。甚至，人體內因鉀-40衰變，每天會(huì )產(chǎn)生4億個(gè)中微子。由于中微子實(shí)在是太小，很難用各種工具觀(guān)測到，一度，它被認為是一種沒(méi)有質(zhì)量的“逆天”粒子。

1950年代開(kāi)始，實(shí)驗物理學(xué)家相繼運用最大規模的裝置，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(xué)獎”此后頻繁在粒子物理學(xué)領(lǐng)域“開(kāi)花”，至今有4次授予了在中微子領(lǐng)域取得發(fā)現的科學(xué)家們。

其中一位獲得者，是華裔物理學(xué)家丁肇中。他在40歲得諾獎后，又花了21年，領(lǐng)導600多人的團隊，驗證了物理學(xué)的經(jīng)典模型。那就是，構成物質(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年代在瑞士日內瓦招的唯一一位中國大陸學(xué)生。如今，他成為了江門(mén)中微子實(shí)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(xué)、斯坦福大學(xué)工作。但在2001年，他選擇回國，做當時(shí)國內只有極少數人了解的中微子研究。

王貽芳/圖源：中國科學(xué)院大學(xué)

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

“振蕩”在物理學(xué)形容的是一個(gè)美麗又短暫的現象：中微子在運行過(guò)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(xué)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(xué)家發(fā)現。第一種中微子振蕩是1998年日本超級神岡實(shí)驗中發(fā)現的大氣中微子振蕩；第二種振蕩是加拿大SNO實(shí)驗發(fā)現的太陽(yáng)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(shū)中比喻：3種中微子就好比蘋(píng)果摘下來(lái)時(shí)有綠、紅、黃三種顏色。在運輸蘋(píng)果的過(guò)程中，顏色會(huì )發(fā)生變化，綠蘋(píng)果可能變?yōu)辄S或者紅，黃蘋(píng)果也可能變成紅或者綠蘋(píng)果。當運輸距離不同時(shí)，蘋(píng)果變色的概率也會(huì )不同。

日本以及加拿大做的中微子實(shí)驗，“已經(jīng)測量到了‘綠蘋(píng)果’經(jīng)過(guò)長(cháng)距離運輸后變成黃蘋(píng)果或紅蘋(píng)果的可能性”。而他想測量的是，在短距離運輸時(shí)“蘋(píng)果”的變色概率。這個(gè)概率由混合角θ13決定，是當時(shí)物理學(xué)的大難點(diǎn)。

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(kāi)鑿研究中微子的地下實(shí)驗室。他有他堅實(shí)的理論依據和方案：核反應堆本身是中微子最大的來(lái)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(xiàn)和元素的干擾。

江門(mén)中微子實(shí)驗正式運行

唯一的缺點(diǎn)是，這個(gè)方案造價(jià)高昂，需要國際專(zhuān)家的通力合作。

經(jīng)過(guò)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(xué)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(shí)驗室。大亞灣實(shí)驗室正式取數的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)現了第三種中微子振蕩模式，混合角θ13的數值得到測量。

這一發(fā)現影響巨大。在物理學(xué)領(lǐng)域，5倍標準偏差意味著(zhù)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(xué)》雜志“年度十大科學(xué)突破”，王貽芳作為中國專(zhuān)家，斬獲2016年“基礎物理學(xué)突破獎”。

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

江門(mén)中微子實(shí)驗

最大的不同是，江門(mén)中微子實(shí)驗探測器比大亞灣的規模要大200倍，需要的是世界最頂尖的人才。2023年，連主導過(guò)大型物理實(shí)驗的丁肇中參觀(guān)江門(mén)中微子實(shí)驗室時(shí)，也對學(xué)生王貽芳發(fā)出感嘆，稱(chēng)自己從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)這么大規模的一個(gè)實(shí)驗。

“他第二個(gè)評價(jià)就是，可以想象這樣一個(gè)實(shí)驗這么復雜，規模這么大，很容易出錯?！蓖踬O芳回憶說(shuō)，“（丁肇中說(shuō)：）‘你千萬(wàn)千萬(wàn)不要出錯?！?/p>

揭開(kāi)最大謎團的窗口

主導一次耗時(shí)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(xué)界在多年發(fā)展中數次實(shí)踐了相似邏輯——“形象地說(shuō)，挑選中微子就如同從100萬(wàn)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?！庇锌茖W(xué)家比喻。這也是江門(mén)中微子實(shí)驗室選擇在地下700米鑿出實(shí)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身。

實(shí)驗大廳內，4個(gè)中微子探測器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )直播向大眾呈現/圖源：廣州日報

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

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

“目前還不知道如何利用，但是中微子跟我們每個(gè)人都有關(guān)系?！彼f(shuō)，“宇宙在早期大爆炸的時(shí)候，整個(gè)空間有一個(gè)密度的漲落，這個(gè)差別最后變得越來(lái)越大，不均勻性越來(lái)越強，衍生出了銀河系、太陽(yáng)系。這些都和中微子的質(zhì)量有關(guān)?！?/p>

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

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

也就是說(shuō)，物理學(xué)經(jīng)過(guò)多年的研究，發(fā)現宇宙大爆炸在開(kāi)始的極短時(shí)間內，產(chǎn)生了大量數目相當的正物質(zhì)和反物質(zhì)。而現有的物理模型無(wú)法解釋接下來(lái)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(jiàn)”的，科學(xué)家們認為的一個(gè)研究方向是，反物質(zhì)的消失應該來(lái)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(shí)，最后產(chǎn)生的正物質(zhì)比反物質(zhì)多一點(diǎn)。

只是，通過(guò)實(shí)驗，科學(xué)家發(fā)現，無(wú)論是（萬(wàn)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(xué)的語(yǔ)言，這是一種優(yōu)美的“對稱(chēng)性”。

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

圖源：中國科學(xué)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(xué)家們相信，倘若CP破壞相角足夠大，量子反常過(guò)程會(huì )將輕子反輕子不對稱(chēng)轉化為宇宙中的正反物質(zhì)不對稱(chēng)，最終導致當前的天體均由正物質(zhì)組成。

2012年，大亞灣實(shí)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，混合角θ13足夠大，這說(shuō)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(xué)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(wàn)光年，觀(guān)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(xiě)道：“要揭開(kāi)宇宙的最大謎團‘反物質(zhì)去哪里了’，也依賴(lài)于空間尺度小于10的負18次方米的粒子物理學(xué)?！?/p>

“這也意味著(zhù)物理學(xué)極大和極小的統一?！?/p>

實(shí)驗物理的意義

即使有了充分的科學(xué)目標和科學(xué)論據，主張建設大型物理裝置的實(shí)驗物理學(xué)家們仍要面對漫天的爭議。

2012年，被稱(chēng)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。這一結果令粒子物理學(xué)界都感到激動(dòng)，很多人相信，粒子物理學(xué)研究要進(jìn)入一個(gè)全新篇章。

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

只是，當聽(tīng)說(shuō)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(shí)，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(shí)驗室時(shí)，周?chē)渤錆M(mǎn)各種疑慮和反對聲。

為了測量混合角θ13，2003年冬，王貽芳帶著(zhù)經(jīng)過(guò)反復測算的“大亞灣實(shí)驗”方案在國內四處游說(shuō)。據報道，王貽芳提出在大亞灣做中微子實(shí)驗后，反對聲貫穿了從提案到落地以及最終取數的10年。

王貽芳/圖源：《閃耀的平凡》

開(kāi)第一次籌備會(huì )時(shí)，很多參會(huì )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(gè)隧道太復雜了，挖不出來(lái)。

建設江門(mén)實(shí)驗室時(shí)，更大的難題來(lái)了。江門(mén)中微子探測器與世界現存和曾經(jīng)有的同類(lèi)探測器相比，尺寸和規模都是最大的。而且，這個(gè)實(shí)驗建造在地下700米處，周?chē)懵兜膸r石隨處可見(jiàn)。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。據中國科學(xué)院高能物理研究所研究員衡月昆回憶，當項目開(kāi)始往地下開(kāi)建時(shí)，施工人員遇到的第一個(gè)難題竟是地下水的洶涌侵襲?！耙粋€(gè)小時(shí)大概有500噸的水涌出來(lái)，把要這些水抽上來(lái)，項目才能再往前推進(jìn)?！?/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(lái)。為了打破日本公司的技術(shù)壟斷，王貽芳團隊歷時(shí)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(jìn)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(shí)間為尺度可以量化，5年、10年、20年……一個(gè)項目進(jìn)展可能耗費科學(xué)家半輩子的心血。實(shí)驗物理學(xué)家經(jīng)常要面對的是無(wú)法對抗的時(shí)間，以及一輩子想要證明自己的野心。

“對于高能物理學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，我們經(jīng)常會(huì )用10年時(shí)間來(lái)讓我們設想落地。然后再有10年時(shí)間去建設，等到再有成果的時(shí)候已經(jīng)30年了?！蓖踬O芳受訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。在物理學(xué)的進(jìn)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(wèn)題：研究中微子那么多年，人們倘若最后發(fā)現中微子無(wú)用，怎么辦？

很多人都問(wèn)過(guò)王貽芳類(lèi)似的問(wèn)題。他的答案是一致的，相信科學(xué)的進(jìn)程和未來(lái)的正確。

他會(huì )坦率地承認，現階段無(wú)法確定把中微子質(zhì)量測出來(lái)后，會(huì )帶來(lái)何種顛覆性成果。但是，“科學(xué)如果在開(kāi)始發(fā)現之前，你就承諾說(shuō)一定能發(fā)現什么粒子，這個(gè)發(fā)現一定不會(huì )特別重大”，王貽芳說(shuō)。

JUNO探測到的一個(gè)反應堆中微子事例

比起關(guān)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(xué)，并因此最大程度堅持自己。

他在受訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“科學(xué)上，這樣也行，那樣也行的事很多……遇到大家有不同意見(jiàn)的時(shí)候，可能有人覺(jué)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(gè)結果，把道理想清楚了，這是個(gè)學(xué)術(shù)的問(wèn)題。既然我已經(jīng)看清楚，那當然我會(huì )堅持?！?/p>

他知道實(shí)驗物理學(xué)的限制，也有過(guò)預判。等江門(mén)中微子實(shí)驗室出成果時(shí)，他說(shuō)不定已經(jīng)退休了。而從一開(kāi)始設計時(shí)，江門(mén)中微子實(shí)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(wú)中微子雙貝塔衰變實(shí)驗室，將給更多實(shí)驗騰出空間。

而在幾十年為尺度的大型實(shí)驗面前，物理研究的意義不只在于結果。

王貽芳說(shuō)：“高能物理實(shí)驗，核心的核心不在于最后的數據分析，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(gè)設備做出來(lái)，該發(fā)現的Higgs（希格斯粒子）就永遠在那，跑不掉的?！?/p>

科學(xué)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(gè)這樣的大型裝備，”王貽芳說(shuō)，“我不確保此后我們會(huì )得到諾貝爾獎，但我們要追求，中國可以成為世界科學(xué)中心，今后的技術(shù)中心?！?/p>