#2019未來科學大獎周#
11月17日，2019未來科學大獎獲獎者王貽芳報告會成功舉辦。未來科學大獎科學委員會委員、加州大學伯克利分校化學系、材料科學與工程系雙聘教授、S.K./Angela Chan 特聘講席教授、美國藝術與科學院院士、美國科學院院士楊培東擔任本場報告會的主持。現場王貽芳教授更與青少年們面對面對話，用專業的科學知識和專注的科學精神為他們照亮未來的科學前進之路。
王貽芳院士從粒子物理實驗研究的範式和學生培養流程出發，介紹了大亞灣中微子實驗的目標：尋找第三種中微子振蕩模式，並介紹了實驗中存在的諸多挑戰：例如如何提高探測精度。在克服了眾多技術困難後，成功提高了探測靈敏度，以及液體閃爍體的透明度和穩定性等。在此基礎上，王貽芳教授及團隊向江門中微子實驗跨進，成功研發了國際領先的具有自主智慧財產權的大尺寸MCP—PMT光電倍增管。王教授最後提到，大亞灣實驗是中國中微子實驗的開端，未來江門中微子一定會取得重大成果，中微子實驗研究前途一片光明。
演講場次：2019.11.17 獲獎者報告+青少年對話
演講嘉賓：王貽芳，中國科學院高能物理研究所所長，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士、發展中國家科學院院士，2019未來科學大獎-物質科學獎獲得者
演講主題：從大亞灣到江門：目標、技術和努力
王貽芳：大家上午好！剛才陸錦標教授提出了中微子基本的概念，介紹了我們為什麼要做中微子研究，我下面就給大家介紹一下做中微子的研究應該做什麼事情。
首先，我們說一下粒子物理研究的範式，我們的粒子物理研究可能跟別人不一樣，一開始我們要選定科學目標和技術路線，在這方面可能和別人一樣，但是這裡面有兩點特別重要的不同，就是要自行設計實驗設備，還要自己把它做出來，要想做一個事情，光說想做不行，還要自己把所有設備做出來，然後使用這些設備得到最後的結果。我們對一個學生的培養，要從提出問題，設計方案，研製設備，一直到分析數據，解決問題，全流程都是需要的。我們認為粒子物理是培養學生最好的學科之一，我們希望大家都能來學一學粒子物理。
大亞灣實驗的目標剛才陸教授已經說過了，我們要尋找第三種振蕩模式θ13。我們看一看之前別人做了什麼，之前的反應堆中微子實驗給出了允許的θ13的範圍，一個實驗排除掉這個區域，一個實驗允許了這塊區域。這樣允許的參數範圍大約小於0.1，這裡也有一個理論預言。要做一個實驗，就要比以前的實驗好很多，最起碼要提高一個量級，大約10倍。
如何把這個10倍找出來？分析一下過去實驗的結果，發現誤差大約3%到6%之間，如何能夠達到比如0.4%這樣的精度？這是實驗的核心問題。
所以，我們這個實驗就提出了自己的設計方案，這個方案第一是通過遠近點的相對測量，消除關聯的系統誤差，比如這裡有遠點，有近點，看兩者之間的比值，將相關的誤差消掉。第二個重要的方面，就是我們在每個實驗點有多個探測器的模塊，近點有兩個，遠點有四個，通過這個方式可以把所謂的非關聯誤差降低根號N倍，也就是說遠點可以降低兩倍，近點可以降低根號2倍。第三，我們在屏蔽宇宙線方面，用了多重的反符合探測器，包括氣體探測器，和水池中分成的兩部分，三重探測可以互相校驗，最後探測效率的誤差可以小於0.25%，這也比過去的實驗提高了差不多將近10倍。通過這些設計，使得最後實驗的精度能夠比過去提高10倍。
同時，在探測器設計的時候，除了有精度的考慮，還有一個經費的考慮，我們需要能夠用最少的錢做一個最好的實驗，一個省錢的辦法，就是在探測器設計的時候，把我們的光電倍增管探測元件只放在兩邊，上下裝了光學的反射板，通過這種方式，我們節省了光電倍增管，用了別人一半的光電倍增管，得到了和別人差不多一樣的光產額，只有這樣我們才能夠安排8個探測器模塊，我們探測器最後的靶質量也比別人多了3、5倍。
我們是從2003年開始提出實驗的設想，2007年開工，2011年完成建設，這裡參與開工典禮的八位（見合影照片），他們每個人都為我們的實驗至少貢獻了1000萬元人民幣以上，他們是我們實驗的衣食父母。
我們這個實驗最終的設計是要建設一個3公裡的實驗隧道，其中有3個實驗大廳，還有2個輔助廳，一共是5個大廳，完成了距反應堆大約300、400米左右的3000次爆破。這是我們實驗當中遇到的巨大困難，因為在距反應堆很近的地方爆破，第一受到國家核安全局的監管，另外核電站也非常擔心運行的安排，對我們提出了非常嚴格的要求，最困難的時候對我們提出的要求是炸藥只能放200克，那還不如一個炮仗大，我們最終克服了所有困難，完成了地下實驗室的建設。同時我們要開展中微子探測器模塊的組裝，剛才陸老師已經給大家介紹過了，我就不重複了。探測器模塊裝完以後，我們要裝水池探測器，水池裝完以後，把中微子探測器裝到水池裡去，灌上水，再把蓋子蓋上。我們的實驗安裝才算完成。可以從圖片中看到灌入的水是非常非常藍的，表明水本身也是非常非常潔淨的。
在這個過程當中，我們解決了大量的技術問題，比如在機械方面，這麼大型的鋼罐，壁厚只有1釐米，要確保它的精度和不變形，因為鋼罐是要裝在水裡面，要密封，如果鋼罐變形就會漏水，實驗就徹底失敗了，這裡面對機械有非常高的要求。同時在真空方面，有5米直徑的真空法蘭，要確保鋼罐不漏水，是非常複雜的技術問題。化學化工方面，我們後面會介紹液體閃爍體，還有各種各樣的化學兼容問題，本底問題。像這樣的一個大型實驗，如果裡面有一克的灰塵，這個實驗都會徹底失敗，所有安裝過程，製造過程，都必須在非常潔淨的環境中進行。還有一個特殊要求，3個實驗大廳，溫度差要小於1度，為了保證遠近點測量把系統誤差排除掉，保證實驗條件是一致的。我們提出了這樣一個相距2公裡的兩實驗大廳，必須溫度差小於1度，對於做空調的來說是從來沒有見過的要求，對他們來說也是一個巨大的挑戰。
還有一張照片，我們經常會介紹的，希望大家關注一下，這個照片大家可以看到，這下面是12米深的水泥水池，這邊就是牆，這個車可開進來，說明我們的駕駛員技術很高，否則差一點就會掉下去。這個實驗設計的時候，裝卸平臺剛好，如果設計面積多了浪費造價，如果設計少了，這個東西裝不進去，說明我們在整個過程中，在一切可能的地方，要把整個設計做到極致。
在關鍵技術方面，這個實驗一個核心的技術困難，就是我們說的摻釓的液體閃爍體，因為釓是稀土元素，是金屬，放在有機溶液裡面就會析出，要把金屬混到有機溶液裡是極其困難的，這是過去20、30年國際上各種技術方案（見圖表），前兩個方案都遇到了很多技術困難，曾經有些實驗是徹底失敗，壽命只有3個月。我們的要求是能夠運行5年以上，最終我們得到了一個非常好的透明度和非常好穩定性的液閃，這也是實驗最終能夠成功的一個非常重要的方面，一個關鍵的技術。我們掌握了這個關鍵技術，下面的中微子實驗也非常依賴這個技術。
最終我們在2012年看到了這個電子反中微子消失，有差不多6%的中微子沒有被看到，消失的6%的中微子在中微子能譜上位於這個位置，跟我們期待的中微子振蕩是完全一樣的。這就是剛才陸老師介紹的中微子振蕩的結果。
大亞灣實驗正在進行，明年會結束，我們在2008年的時候就在考慮大亞灣實驗完成以後下一步怎麼辦，在大亞灣實驗完成四年以前就開始討論、設計下一代新的實驗。經過相當長時間的討論，最終我們確認了下一步的中微子實驗計劃，現在叫江門中微子實驗，就是在距臺山跟陽江兩個核電站的地方，差不多53公裡的地方建一個新的實驗大廳，這個距離是因為我們想把這個探測器放在中微子振蕩的θ12極大值這個地方。
這樣一個實驗可以做哪些科學工作？第一，中微子的質量順序，6年可以達到4倍的標準偏差，同時這個結果跟CP的相角是無關的。與國際上測量中微子質量順序的方案都不一樣，因為他們依賴於中微子的相角。第二，可以測量中微子振蕩的參數，這是目前中微子振蕩參數的精度（百分之幾），我們希望能夠達到百分之零點幾，比過去提高一個量級。再一個方面，可以研究超新星中微子，如果在距我們差不多10個kpc的距離，也就是1987A這個超新星的位置有一個超新星爆發，我們可以看到5000個超新星中微子事例。大家知道超新星對於天體物理研究是非常重要的，在1987A這顆超新星爆發時我們看到了20個中微子事例，日本的小柴昌俊因此獲得了2002的諾貝爾獎。如果我們能夠有5000個這樣的事例，我們對超新星的研究將有一個非常重要的革命性突破，當然超新星的爆發是不確定的，差不多在整個銀河系中100年有1次，到目前為止，我們的銀河系大約已經有四百年沒有看到超新星了，所以我們非常希望在江門中微子實驗完成建設以後有一個超新星的爆發。
同時，我們也可以研究地球中微子，可以確定地球上U和Th的比例，這個比例對於研究地球的起源，研究地球整個熱量的來源和最後地球的構造模型，具有非常重要的意義。同時，我們可以研究太陽中微子，惰性中微子，質子衰變等。
這個探測器面臨著非常巨大的技術挑戰，第一，它是世界上最大的一個液體閃爍探測器，到目前為止，世界上最大的液閃探測器大約是一千噸，還有另外一個小一點的是五百噸，我們要建一個兩萬噸的探測器，是別人的20倍。同時，探測器越大，一般來說，就越難製造，同時光就越難被探測到。所以一般探測器越大，光的產額就會越小。我們比KamLAND的質量大了20倍以後，產額還要提高5倍，這是一個巨大的挑戰。為了實現這個挑戰，我們要做以下幾件事情，我們要有地下的洞室，地下洞室的跨度大約有40多米，高有70米，可以想像一下（見圖），這是一個人的大小，跟地下大廳的水池和上面拱頂的比較。我們要建世界上最大的有機玻璃球，直徑是35.4米，差不多13層樓高的一個有機玻璃球，厚只有12釐米左右。要有兩萬噸的液體閃爍體，同時它的透明度要達到世界最好，我們大亞灣實驗已經做到世界最好，是15米，我們的目標是衰減長度提高到25米。另外，我們需要做光電探測，中微子跟液體閃爍體發生相互作用的時候，發出的光要被光電倍增管探測到，光電倍增管最後把光子轉換成電子，變成我們的電信號，通過我們的計算機可以處理。這裡面就有一個轉換效率的問題，過去日本超級神岡實驗用了日本濱松公司的光電倍增管，這個轉換效率是15%，但是我們這個實驗，必須把能量解析度做到3%，在這種情況下，我們探測效率必須要提高1倍，這是我們在2008年設計這個實驗的時候面臨的一個根本的技術挑戰。
這個光電倍增管，國內以前做過2寸的管子，60年代我們有企業，因為光電倍增管在核工業方面和空間研究方面有大量的用處。我們國內做到2吋的管子，5吋的從來沒有做過，更不用說20吋的。日本濱松公司在光電倍增管方面做到國際最好，20吋的管子就是他們發明的，而且世界上只有日本濱松公司做過和能做20吋的管子，價格當然很貴，一個管子至少3000到5000美元一個，兩萬個大家可以算一算有多少錢。所以，提高探測效率在過去一二十年一直都有各種各樣的嘗試，到2010年左右進展不大。光電倍增管量子效率從40、50年代被發明後，就在20%左右，差不多30、40年的時間，只提高到25%這樣的水平，所以量子效率的提高是非常慢的。
我們這個實驗需要提高探測效率1倍，這是必須克服的困難，我們從2008年開始跟企業合作，一直做到2010年，應該說是一個徹底的失敗，沒有做成。到了2011年的時候，我們又找了另外一家家企業北方夜視，並聯合西安光機所，通過聯合，經過6年的努力，最終我們在2015年做成了光電倍增管，樣管的指標達到了我們的要求。所以，在有一個樣管的情況下，因為實驗的進度原因，我們在2015年底做了公開招標。濱松公司的量子效率在後來的7、8年裡也提高了，最後兩者的指標差別不是特別大，北方夜視的略好一些。最終我們下定決心用了四分之三國產的管子，四分之一濱松的管子，通過這個方式可以把造價降下來，把風險降下來，指標和各方面能夠有一個綜合的平衡。整個過程節省造價至少上億元。我們也完成了批量生產研製，開始工業生產，克服了各種各樣的技術困難，最終有差不多1萬隻已經發貨，我們大概還有四千多隻沒有完成，明年年中就可以完成。
我們也面臨很多其他的挑戰，比如說大型的有機玻璃球，需要不鏽鋼支撐。從機械設計，材料製造，工程控制，放射性本底，地震的安全等。還要考慮熱脹冷縮，因為有機玻璃跟不鏽鋼的熱脹冷縮係數不一樣，所以如果兩者之間有溫度差，就把它拉壞了。因此這裡面有各種各樣的技術問題，包括液體閃爍體的配方、透明度的問題，還有生產、運輸、存儲的問題，我們的實驗室在一個山裡，兩萬噸的液體只能通過貨櫃運輸，20噸的貨櫃涉及到一千車液體的運輸，運輸、儲存、罐裝，都是困難的問題。另外，包括安裝，土建，都有很多很多問題，需要我們解決。
江門中微子實驗（組）也是大型的國際合作組，比當年的大亞灣實驗規模大了將近3倍，我們有大約600多位合作者，來自17個國家和地區，77個研究單位。
江門中微子實驗不是最終的，我們準備在2030年的時候做一個升級，這個升級的方案就是在江門中微子實驗液體閃爍體中間，再放一個液體閃爍體球，其中填充另外一種液體閃爍體，我們可以研究新的科學目標，我們叫作「無中微子雙β衰變」。無中微子雙β衰變可以告訴我們中微子到底是自身的反粒子，還是說中微子和反中微子是不同的粒子，這對我們的粒子物理是非常重要的。我們的標準模型，最初假設中微子沒有質量，我們把這個方程式寫出來是很簡單的，現在知道中微子有振蕩，中微子是有質量的，要把這個方程式重新寫出來，其中一個最大的不確定性是我們不知道中微子和反中微子是不是一樣的，所以到目前為止，我們知道標準模型要修改，但是我們不知道怎麼修改，只能通過雙β衰變給出這樣的信息。這是粒子物理未來發展一個最重要的方面。
大家可以看到，如果我們江門中微子實驗可以做雙β衰變，我們的規模達到別人的1到2個量級，精度可以比別人提高好幾倍。達到這樣一個精度，我們未來會什麼樣？假如達到這個精度的時候，或者在這個之前，我們就看到了雙β衰變當然很好，將是非常重大的發現，說明中微子和反中微子是同一種粒子。如果我們沒有看到，是不是這個實驗就白做了？當然不是。可以看到無中微子雙β衰變的有效質量跟中微子的總質量是有關的，如果沒有看到雙β衰變，把這個參數空間排除了，剩下的參數空間，相當於把中微子的總質量測出來了。我們把這個參數空間排除了，也相當於把中微子的β衰變測出來了。從這個圖上可以看到，我們把最輕的中微子的質量測出來，所以這些都被確定以後，M1知道了，M2就知道了，M2知道了M3就知道了，中微子質量都可以被確定。即使我們沒有看到無中微子雙β衰變，這樣一個實驗可以把中微子的質量都確定，同時可以測定相角。從這個圖上，無中微子雙β衰變如果存在的話，參數空間不是無窮大的，中間一個圓錐是被挖掉的，這是非常小的參數空間，也就是說差不多到0.1 meV，無中微子雙β衰變，要麼是看見了，要麼基本確認是沒有，沒有的話，就很簡單，中微子是狄拉克粒子，中微子和反中微子是不同的粒子，這對物理學來說非常重要。
最終的結論，大亞灣實驗是我們中國中微子研究的開端，江門中微子實驗也會取得重大的成果，我們相關的技術應該說已經走到了國際的第一方陣，中微子的研究前途是非常光明的，十年左右的時間內，中微子振蕩的問題就會徹底解決，無論是中微子的CP破壞參數還是質量順序都會被確定。20年之內中微子的質量問題會基本解決，我們江門中微子實驗在我們雙β衰變完成以後，就會給出這個結論。同時，我們相信30年之內，或者江門中微子實驗，或者下一代新的實驗，會把無中微子雙β衰變的問題解決，中微子物理的研究前途非常光明，非常希望在座的孩子們能夠參與到我們的隊伍中來，謝謝！
青少年對話
學生A：老師好，我來自北京二中，有了這個裝置之後，我國的粒子物理研究，乃至世界的粒子物理研究前景預測是如何的？另外，這個實驗有成果之後，對對撞機的建設有什麼影響？謝謝。
王貽芳：我們中國的粒子物理和全世界的粒子物理應該說在最近的這些年都有一些重要的成果，我們覺得未來是光明的。剛才類似的問題也問了陸錦標教授，我想他的回答也是一致的，非常清楚的。我們中國自己的粒子物理發展，在很大程度上也決定於每一個實驗，每一步走得是否正確，是否有成果，大亞灣中微子實驗是江門中微子實驗的基礎，可以想像大亞灣實驗如果失敗了，不會有江門中微子實驗，江門中微子實驗如果失敗了，大概也不會有未來的大型粒子物理實驗，所以我們每一步都必須走對了，每一步都必須正確，每一個重要的實驗都必須要有成果，我們就會一步一步走到世界的最前沿。
學生B：老師您好，我來自北京市十一學校，我想問的問題，人類是如何發現暗物質的，暗物質是如何對人類產生影響的？
王貽芳：人類發現暗物質已經有幾十年了，主要是從引力相互作用，從天文觀測當中發現的，現在應該說有相當多的證據，但是基本上都是依賴於天文學的觀測，在我們粒子物理的實驗室當中，我們現在還沒有看到暗物質，這也是下一步我們面臨的一個最根本的問題，天文觀測的暗物質跟我們的粒子物理到底是什麼關係？我們現在不知道，我們做了位於地面、地下的相關實驗，都沒有看到，所以這是有待在座的年輕人去解決的問題。暗物質至少目前跟我們的日常生活沒有直接關係，但是理解比正常物質還要多的暗物質，在宇宙當中到底是怎麼回事，這是非常重要的，作為一個好奇的人，應該希望這個問題能夠得到解決。
學生C：老師好，我來自北京八中。我想問的問題，劉慈欣在小說中寫到，擊碎夸克使宇宙變成碎片，那麼當擊碎中微子的時候會產生什麼現象？
王貽芳：所謂標準模型中的基本粒子是不能被擊碎的，現有的能量下還無法被擊碎。當然，我們並不是說它永遠不能被擊碎，我們做粒子物理一個非常重要的研究方面，就是試圖尋找所有的基本粒子有沒有結構，有沒有有限的大小，能夠看到所謂的尺寸，到目前為止只有一個上限，少於多少，但是並不知道它是多少，這是我們下面要研究的問題。
學生D：老師您好，您如此重視基礎科學，您認為應該如何將基礎科學融入到我們的教育當中去？
王貽芳：我們在中小學的教育中，大家學的其實就是我們現在所說的基礎科學，無論是數學，物理，還是化學，都是我們現在所說的基礎科學，我們孩子中學畢業的時候，按照我的理解，好像都對基礎科學有相當程度的熱愛，到了社會上以後，由於各種各樣的原因，這些熱愛好像是在衰減，大學就少一點，到了研究生，就更少了，參與工作好像對這些就忘記掉了，或者是顧不上了。我覺得我們對基礎科學還是要有一種所謂的好奇心和熱愛，我們在中學學習的時候，不能把它當作一個工具，當成高考的工具，而應該是真正的喜歡它，熱愛它，覺得科學真的就是一個很神奇的事情，願意去學它，即使將來的工作不是從事基礎科學研究的，我覺得保持一個對基礎科學的好奇心和熱愛，對你的一生還是有用的。
學生E：老師您好，我來自北京二中。我有一個問題，您在中微子方面的研究對未來粒子物理有什麼重大影響？能展望一下未來粒子物理的發展嗎？
王貽芳：目前粒子物理的研究有兩個最重要的前沿，或者說熱點，當然不一定前沿跟熱點就是未來發展的唯一方向，但是至少目前在我們的認識範圍之內，有兩個前沿和熱點，一個是中微子，一個是希格斯粒子的研究，它們都給我們帶來了相當程度的困惑，也就是說一方面這兩個問題沒有解決的話，我們的標準模型沒有辦法很清楚的寫下來，描述出來。另外，我們也知道標準模型有一些問題，有足夠的證據證明不是終極理論。在實驗上我們也看到一些證據，證明有超過標準模型的新物理，所以下一步就是找到一個窗口，來解決這些困惑，找到新物理的理論框架和決定性的實驗證據，這是未來努力的方向。至於哪個辦法絕對正確，沒有人知道，因為大家都在探索，我們在做我們的中微子研究，國際上還有其他的中微子研究，希格斯粒子的研究國際上也有各種各樣的方案，包括我們中國提出的環型正負電子對撞機的方案，國際上也有直線對撞機的方案，也有歐洲核子中心的環形正負電子對撞機的方案，當然也有所謂質子對撞機方案等等，大家都在尋找各種不同的方案，最終應該是看哪個方向能夠得到重大成果，這個方向就對了，所以，從一個國家來說，有可能會選擇一個錯誤的方向，比如說過去美國在SCC (Superconducting SuperCollider）上就做了錯誤的選擇，我相信中國的未來，在粒子物理研究方面應該也可以取得重大的成就，在這兩個方向上同時發力是我們應該做的一個選擇。
學生F：老師您好，我來自北京二中。您發現了中微子的第三種振蕩形式，實驗表明中微子或許破壞宇稱與正反粒子聯合對稱性，也就是cp對稱性，我想問它是如何影響CP對稱性的？
王貽芳：剛才陸教授其實已經介紹了相當一部分，我們宇宙當中物質跟反物質的不對稱性需要有CP破壞，在標準模型中夸克的CP破壞已經被實驗發現和證實了，這個CP破壞幅度太小，不足以解釋整個現在的宇宙幾乎100%都是物質，幾乎沒有反物質，這個需要比較大的CP破壞，標準模型給不出這個來。我們下一步的希望，就是在中微子振蕩中能夠給出這個CP破壞。中微子振蕩原則上可以給出來，但是依賴於很多參數，這些參數必須足夠大，其中一個就是CP破壞的相角，實驗測量的時候，CP破壞的相角和θ13是聯合出現的，可以想像如果θ13等於零，CP相角永遠測不出來，所以θ13跟θ相角有非常密切的關係，最終要得到足夠大的CP破壞，它跟所有的中微子振蕩的參數都是有關的，目前θ13是最重要的，為什麼全世界的粒子物理學家對於θ13的結果那麼興奮，就是因為它使得我們的CP破壞的實驗研究有了可能，因為在這之前有很多人是悲觀的，覺得這個東西很可能是零，後面就沒有辦法了。
註：本文根據演講內容整理而成，以視頻內容為準。