在今年的WE大會上，多位全球頂尖科學家同臺，分享了細胞療法、弦理論、腦晶片、粒子機器人等前沿科學進展，為人類從「微觀」層面進一步了解自身、了解宇宙打開一扇科學之門。
小WE姐近期已陸續放出嘉賓的原聲雙語字幕版視頻和演講全文，歡迎通過公眾號歷史消息查看。上期我們回顧的是施路平教授關於類腦計算的演講，今天將繼續分享王貽芳院士的視頻。
王貽芳院士的演講題目是《中微子、光電倍增管和物理學基礎研究》。他為我們分享了大亞灣實驗關於中微子振蕩的研究，並介紹了在建的江門實驗室及其突破——中國科學家與科技企業通力合作，終於製造出高質量且高性價比的光電倍增管。他認為，大型科學設施是技術發展最好的觸發器和推動器，科學家與工程師合作能夠大力推動技術發展。
以下為演講全文：
大家下午好！
我想和大家談一談中微子、光電倍增管和基礎科學研究。
中微子在我們周圍無處不在，從宇宙大爆炸到我們身處的地球、我們附近的太陽等，都有中微子。其實，我們每一個人的身體也是中微子源——我們每個人每天會發射出三億四千萬個中微子。
中微子在整個物理學當中起著非常重要的作用。在構成物質世界的12個最基本的粒子當中，中微子佔了其中的三種，所以說中微子是構成物質世界最基本的單元，我們需要把它研究清楚。但是非常不幸，我們對中微子的了解非常少。到現在為止，我們甚至連中微子質量到底是多少都不清楚，但是我們知道中微子有一點點質量。
中微子數量非常多，在整個宇宙當中大約每立方釐米有300個，所以中微子如果有一點點質量，它對我們整個宇宙的起源、演化，以及宇宙大結構的形成都會起非常重要的作用。我們整個的宇宙當中，在大爆炸的早期它是非常均勻的，能夠有一點點所謂的質量密度漲落，才能形成宇宙大的結構。宇宙大的結構形成以後，才會有銀河系、太陽、地球，以及在座的各位。所以在座的各位能否存在，跟中微子質量到底是多少非常有關係。實際上，如果中微子質量為零，這個世界上、這個宇宙裡面，不會有一個有密度漲落的結構，如果沒有這樣的一個結構，自然銀河系和在座的各位就不會存在。
中微子是1930年由著名科學家泡利提出來的，它是為了解決在微觀世界的能量和動量不守恆的問題。由於我們在實驗當中發現能量和動量不守恆，泡利就解釋說因為有中微子這種基本無法探測的粒子，使得最後你看到的好像是不守恆，但其實它是守恆的。
過了26年，1956年，我們真正在實驗上發現了中微子，發現者因此得到了諾貝爾獎。1962年的時候，我們發現其實不只有一種中微子，還有兩種中微子。在1958年的時候，在第二種中微子發現之前，有一位科學家提出說中微子和反中微子可以發生振蕩，從一種中微子變成另外一種中微子。有兩種中微子以後，大家修正了這個想法，就是電子中微子和繆子中微子也可以發生振蕩。
又過了40年，1998年日本科學家發現在大氣中微子當中，可以有中微子的振蕩，這就是非常著名的日本超級神岡實驗。到了2002年的時候，加拿大的SNO實驗發現太陽中微子也可以振蕩。這兩個實驗由於發現中微子振蕩而得到了諾貝爾獎。到了2002年的時候，我們看到有兩種中微子振蕩。
從物理上來說，三種中微子應該是有三種振蕩，所以當時的問題就是尋找另外一個中微子振蕩模式，我們把它叫做θ13。從物理上來說，其實有很多所謂的對稱性的希望，所以說這個θ13也是可以為零的。我們作為物理學家，就希望知道到底是真的為零，還是不為零。於是，我們在2003年提出實驗，到2012年得到了結果。結果告訴我們中微子真的是有第三種振蕩模式，這個振蕩不為零。
我們目前正在推動的一個新實驗叫江門中微子實驗。江門中微子實驗是我們在2008年大亞灣實驗完成之前就提出來的，它是為了研究中微子的質量順序，精確測量中微子的振蕩參數，研究天體中微子比如說超新星中微子、太陽中微子、地球中微子等。同時，我們也希望尋找一種全新的衰變叫無中微子雙β衰變，確定反中微子到底是中微子自己本身，還是中微子、反中微子是不一樣的粒子。
這在粒子物理學當中是一個非常重要的研究目標。為了實現這個目標，我們需要建設一個大探測器，需要2萬噸的液體閃爍體。我們剛才介紹的大亞灣實驗裡面的液體閃爍體只有20噸，所以這裡面差了將近1000倍。2萬噸的探測器比目前世界上最大的液體閃爍探測器還要大20倍——日本實驗是1000噸，我們是20000噸。
同時，需要把探測器的光收集提高5倍，這比過去有個巨大的提高。為此，我們要把探測器液體的透明度提高差不多將近2倍。還有一個非常重要的技術要求就是要把我們探測光子的設備，叫光電倍增管，它的探測效率要提高2倍，和過去超級神岡實驗獲得的日本濱松公司生產的光電倍增管的效率相比，提高2倍。
所有的技術要求加起來產生一個巨大的問題是，我們能不能做，或者世界上是不是真的有人能夠做這個事情。事實上，在我們提出這個方案的時候，國際上有很多懷疑，認為這樣的實驗做不出來。回顧一下這樣類似的實驗，成功因素主要是什麼呢？
雖然設計思想、方案執行、國際合作等因素都很重要，但是我們認為突破關鍵技術的能力在所有因素當中應該是最重要的。關鍵技術需要長期的積累，並不是你想做就一定能夠做出來，所以發展關鍵技術、積累關鍵技術在基礎研究中起了一個非常核心關鍵的作用。那我們看看大亞灣實驗有哪些關鍵技術。
第一個是液體閃爍體。當時國際上有很多類似的實驗，之前的失敗很多，所以發展出自己的液體閃爍體技術是我們大亞灣實驗最重要的要求。非常幸運我們當時做成了。
第二個是光電倍增管。當時我們是從日本濱松公司買的，買了大概2000多個，所以在江門中微子實驗的時候，我們自然還是要問這個問題：這些關鍵技術我們到底有還是沒有？
第一個液體閃爍體，因為我們有了過去大亞灣實驗的基礎，所以我們認為應該是沒有問題的；第二個光電倍增管，如果你從濱松公司買的話指標差2倍, 不夠。價錢也是我們不能承受的，大概是我們能夠承受價格的2倍以上。所以我們覺得這個實驗要想成功的話，一個核心關鍵問題就是要自己發展光電倍增管。
光電倍增管就是把我們看到的光子轉換成電子，再把電子放大，差不多10的7次方倍。這種設備實際上是在（上世紀）30年代發展出來的，它被廣泛應用於醫學、核研究、空間科學方面。在（上世紀）60年代的時候，中國當時有兩個工廠能夠生產光電倍增管，但是非常可惜，到（上世紀）90年代的時候，在市場經濟大潮當中，它們都失去了競爭力。
當時，中國生產5吋以上的光電倍增管的能力應該是完全沒有的。日本的濱松公司也是五六十年代開始建立的，和中國生產光電倍增管的工廠幾乎同時起步。到80年代的時候，他們發明了一種新的光電倍增管，是20吋的光電倍增管。這個光電倍增管引領了整個光電倍增管技術的潮流，使得日本濱松公司成為世界上最好的光電倍增管生產企業。
20吋的光電倍增管成功研製並有效使用，實際上也是日本的神岡和超級神岡兩個實驗的最核心、最關鍵的成功因素。這兩個實驗分別獲得2002年、2015年的諾貝爾獎。下圖這位抱著光電倍增管的就是日本的小柴昌俊，他獲得了2002年諾貝爾獎。正是在他的推動下，20吋的光電倍增管在日本發展起來了。
所以對於我們來說，我們是不是真的能夠在中國發展出全新的20吋光電倍增管呢？實際上在這個研究領域，很多人都非常希望發展全新的光電倍增管，特別是提高它的探測效率。這裡面有一些例子，應該說一直到2010年，我們準備開始這個實驗的時候，幾乎是沒有成功的。我們當時提出了一個全新的技術方案，採用一種所謂的微通道板，來代替一般光電倍增管當中用的電子放大器件，通過這個技術我們可以提高光的探測效率。我們第一次找了一家研究所，應該說過了3年時間，我們這個探索完全失敗，做出來的管子沒有達到要求。
我們後來找了另外一家企業，叫做北方夜視技術股份有限公司，這家企業技術能力其實當時並不是特別強，但是它有意願做這件事情，我覺得這個非常非常重要。這不在於你前面有多少技術，有幾個科研人員，核心在於你是不是真的下決心願意做一件前人沒有做過的事情。所以我們組成了合作組，建立了全新的合作模式，制定了章程，並預先討論了未來的收益分配方式。通過這個，我們避免了所謂的後來可能的一些爭議。同時，在整個項目管理當中，我們有每周、每月的會議。
經過各種各樣的失敗以後，最終我們獲得了成功。上面這張照片都是我們做廢掉的光電倍增管，都是「屍體」。經過4年的努力，從我們一開始準備，經過了8年的努力，得到了全新的、非常好的、達到要求的樣管。
在這時候我們有一個問題，達到要求的樣管對這個企業來說也只是樣管而已，它有沒有能力做批量生產，能不能把我們需要的兩萬個20吋的光電倍增管都做出來？所以我們當時做了一個非常艱難的決定，我們從南京的北方夜視購買了15000個，從日本的濱松也購買了5000個，這樣的話我們在價格、性能、風險的各個方面能做到平衡。通過這樣的競爭，我們得到了最好的光電倍增管，我們也得到了非常好的價格。如果沒有競爭，大概不會有我們最終的這個結果，我們15000個光電倍增管差不多將近是3億人民幣的產值，最終的效果非常好。到目前為止，我們獲得了1萬多個滿足要求的光電倍增管。
北方夜視也得到不斷地發展，它現在在給其它的實驗提供光電倍增管，同時也在給空間和核探測的應用方面提供微通道板和光電倍增管。最近它建設了一個很大的研究中心來研究新的光電倍增管，用於醫療儀器設備和工業應用方面的特殊類型的光電倍增管。北方夜視從原來純粹的生產微通道板的一個企業，發展成為一個具有很好研發能力的一個高科技公司。所以，跟我們的科學家合作，他們學會了如何做前人從來沒有做過的事情，這是一個科學家和工程師在專業訓練方面的本質差異。這兩者的結合應該說是一個最理想的技術發展的模式之一。
在我們江門中微子實驗以後，我們其實面臨另外一個問題：我們的高能物理是不是能夠站在世界舞臺的中央，也就是你是不是在研究、探討、解決粒子物理當中最核心、最根本的問題。我們粒子物理現在的核心問題在哪裡呢？我們其實面臨了一個轉折點，在我們已經完成了粒子物理標準模型的建立，所有的粒子都被發現了之後，下一步該往哪兒走。從很多跡象看，我們需要一個超出標準模型的一個新物理體系。到底哪一個是對的？我們的理論應該向哪個方面發展？我們的實驗應該採用什麼樣的方式？這個是我們面臨的重大問題。
所以我們提出了我們的想法——未來發展最理想的選擇是建設一個大型的環形正負電子對撞機（CEPC），它能產生100萬個希格斯粒子。這個想法得到國際上很好的認可，成為未來發展的首選。
對中國來說，這是一個理想選擇，是能夠引領世界基礎物理研究最好的機會——
第一，希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一個最重要的窗口。
第二，希格斯粒子質量不是特別重，環形對撞機是一個理想的希格斯粒子工廠。相對於直線對撞機來說，這是效率更高的一種設計。
第三，國際上我們很多的競爭對手（歐洲、美國、日本），他們的手上都有其它正在進行的項目，暫時騰不出手來做環形希格斯粒子工廠。
第四，環形正負電子對撞機正好是我們會做的，我們有30年的北京正負電子對撞機的經驗。
同時，就像我們剛剛說的，這樣一個裝置也會在技術上給我們帶來很多機會——
第一，會推動我們國內現有的一些技術達到國際領先水平，這裡包括了精密機械、高真空、自動控制、計算機等等。
第二，會使國內現在空白的一些關鍵技術達到國際先進水平，比如說大功率的微波器件、大型的低溫製冷設備、超導磁鐵、專用集成電路等。這些方面，我們國內要麼是空白，要麼是在國際上基本沒有影響力。我們希望我們自己的大型科學裝置，成為國產設備的第一個用戶，來給它一個機會，讓它成長成為國際領先的企業。
第三，有可能發展出一些革命性的全新的技術。比如說高溫超導到目前為止還沒有實現大規模應用，主要還是因為性價比不夠。我們需要有一個全新的引領，把這個技術發展起來，使它在最後能夠實現工業化、產業化，能夠走入千家萬戶。還有一個是等離子體加速，我們現在的加速器一般都是用磁鐵、微波，如果用等離子體加速技術，會使得我們未來的加速器更小、更便宜。國際上離子體加速器還沒有真正的應用，我們希望第一個把等離子體加速器給用上。
在CEPC的發展當中一定會有很多像剛才介紹的光電倍增管一樣的成功案例。事實上，我們和工業界的合作已經開始了。我們的CEPC產業促進會目前有將近70家企業，我們合作開發各種各樣的技術、發展各種各樣的新手段和能力。
最後總結一下，我們從剛才的介紹中學到了什麼？
首先，我們可以做世界上最好的科學。
其次，世界上最好的科學可以產生最好的技術。大型的科學設施實際上是我們技術發展的最好觸發和推動力，我們的科學家如果能夠和工程師工作在一起，可以使技術能力大大加強和發展。
第三，國內的需求是我們高科技企業發展所需要的最重要的初始推動力。沒有這個第一步，很多高科技企業是沒有機會的。
我們希望能夠得到大家的支持，產生更多國內的需求，在國內做更多最好的科學，推動我們的技術發展。
謝謝大家！
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