基礎物理突破大獎: 揭秘王貽芳與大亞灣中微子實驗

【編者按】本文作者胡舟，文章來自知社學術圈。如你也是學術圈內人士，或者對科學領域有專研興趣，也可進入知社學術圈公號查看。

北京時間11月9日上午，2016年國際「突破獎」（The Breakthrough Prize) 頒獎儀式在美國加州聖何塞舉行。著名物理學家、中國科學院高能物理研究所所長王貽芳作為大亞灣中微子項目的首席科學家獲得"基礎物理學突破獎"（Fundamental Physics Breakthrough Prize），分享高達300萬美元的獎金。這是中國科學家首次獲得這一殊榮。傅亮和祁曉亮同時榮獲基礎物理新視野獎，中國物理學呈井噴之勢。

文末還有關於頒獎慶典視頻和關於中微子的高冷奇葩笑話視頻。

國際突破獎到底是怎麼回事？看看這個2016年"科學突破獎"基礎物理學獲獎項目介紹視頻：

近年來，國際中微子研究競爭激烈，王貽芳團隊憑藉什麼成就摘得這一桂冠？他是如何據理力爭，保住了中國在國際合作中的主動權？ 中微子是否會繼續諾獎輝煌？讓我們走近王貽芳，走近大亞灣，走近中微子。

「突破獎」由俄羅斯科技界投資人尤裡•米爾納（Yuri Milner）成立於2012年，最初用於表彰在物理領域的突破性研究。米爾納希望該獎項可以「建立科學和理性主義的正面形象，並引導人們對科技的未來保持樂觀態度」，並且提升科學家在公眾視線裡的地位。後來獎項也擴大到生命科學和數學領域。

突破獎吸引了眾多的科技富豪贊助，除尤裡•米爾納夫婦外，還有Facebook的扎克伯格夫婦、阿里巴巴的馬雲夫婦以及谷歌聯合創辦人Sergey Brin及夫人。11月9號頒發的2016年突破獎總獎金高達2190萬美元，單項獎金高達300萬美元，遠遠超過諾貝爾獎金額。歷屆獲獎者也群星燦爛，如華人天才數學家陶哲軒。

突破獎還設立了表彰有潛力的年輕科研人員的物理新視野獎。今年獲獎的就有麻省理工學院的傅亮教授和史丹福大學的祁曉亮教授，表彰他們在凝聚態物理學方面做出的貢獻，特別是運用拓撲研究新的物態。傅亮是1985年出生的80後，中國科技大學少年班2004年畢業，2009年在美國賓夕法尼亞大學獲得物理博士學位，曾在哈佛大學做博士後，2012年1月成為MIT的助理教授。祁曉亮1983年出生於遼寧康平，1999年年僅16歲以遼寧理科狀元身份考入清華大學物理系，本科畢業後師從清華大學高等研究中心翁徵宇教授攻讀博士學位。2006年底前往史丹福大學跟隨張首晟做博後,目前是史丹福大學的副教授。

（祁曉亮與楊振寧、張首晟合影）

王貽芳與大亞灣中微子實驗

下面，讓我們回到主題，走近基礎物理突破的王貽芳。

1984年，王貽芳從南京大學物理系原子核物理專業畢業，同年為諾貝爾獎獲得者丁肇中選中，遠赴歐洲核子研究中心參加其領導的L3實驗。1992年，王貽芳獲得義大利佛羅倫斯大學博士學位後，到美國麻省理工學院工作，1996年加入美國史丹福大學的一個中微子實驗項目，並成為其中的骨幹人員。王貽芳在國外工作17年間，先後參加了L3、AMS、PaloVerde和KamLAND等國際粒子物理最前沿的實驗。2001年，作為中國科學院「引進國外傑出人才」，他心懷夢想來到高能物理研究所工作。回國後的短短十年間，他領導了國內兩個最大的粒子物理實驗 - 北京譜儀III實驗和大亞灣中微子實驗，將中國粒子物理研究推向了前所未有的新高度。

大亞灣中微子實驗是中國基礎科學領域目前最大的國際合作項目，由中國、美國領導和俄羅斯、捷克及中國香港與中國臺灣科學家共同參與。其2006年立項，2007年10月動工，2011年年中逐步完成探測器的建造與安裝，同年8月開始近點取數、12月下旬開始遠近點同時運行。整個實驗建有總長3公裡的隧道和3個地下實驗大廳，3個實驗大廳共放置8臺中微子探測器，每臺探測器高5米、直徑5米、重110噸，均置於10米深的水池中。

2012年3月，在北京的中國科學院高能物理研究所，王貽芳與緊張展開著戰鬥。總數接近300人的研究團隊經過55天不眠不休的不斷摸索之後收集到了實驗數據。不可能出現錯誤。在帶著祈禱進行分析時，計算公式顯示出可靠的趨勢——以99.9999％以上的精度確定了「第三種中微子振蕩」。

作為基本粒子，中微子是構成物質的最小單位之一。在物理學和天文學領域，這是全世界研究人員等都在競相獲取成果的最尖端研究主題。在日本，東京大學特別榮譽教授小柴昌俊以此榮獲諾貝爾獎，並由此廣為人知。王貽芳等人發現的是在這些中微子研究中被視為「最後的未知數」的物理現象。

（構成物質世界的12種最基本粒子，其中3種為中微子）

然而早在大亞灣中微子實驗項目之初，整個工程估算下來至少需要1.5億元。王貽芳拿出自己的「百人計劃」人才基金，加上高能所特批的幾十萬元也只有百萬元，相比億元只是杯水車薪。沒辦法，他只好一個一個「找支持」，最終，包括科技部在內的6家單位共同出資1.57億元。

儘管「第三種振蕩」變化非常小，甚至被視為「或許並不存在」，但王貽芳充滿信心：「因為合作者很多，而且實驗設備精良！」不過，大亞灣中微子項目的主要合作方中國、美國卻在實驗方案上出現了分歧：若按照美國的方案走，可以爭取到國際合作，但中方的貢獻和地位就有限；反之，可能就沒有國際合作，項目可能根本無法在國內立項。王貽芳在最關鍵的時刻頂住了壓力，單刀赴會，舌戰群儒，「我堅信我的方案最正確。而且中國要花這麼多錢，如果把方案讓給你們，這種事情絕對不能做！」雖然這次碰撞並不算愉快，但從結果上看，王貽芳為中國保住了中微子實驗的主導權。

其實，所有的努力或許都來自王貽芳對物理學的熱愛與執著。「要問研究中微子是否能讓我們的生活更美好，完全沒有這種作用。但是，我希望加深對這個宇宙和世界的理解。」

利用反應堆中微子實驗測量θ13

當時國際中微子物理實驗的前沿是精確測量中微子混合參數θ13。其重要性體現在θ13是中微子物理中兩個最基本的未知參數之一，其數值的大小決定了未來中微子物理研究的發展方向。如果sin22θ13大於0.01左右，則中微子的CP相角可以測量，宇宙中物質與反物質的不對稱可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角極難測量，用中微子來解釋宇宙中物質與反物質不對稱的理論便難以證實。θ13接近於零也預示著新物理或一種新的對稱性的存在。因此不論是測得θ13或只給出其上限值，均有極為重要的意義。與加速器實驗相比，反應堆中微子實驗可以毫不含糊地確定中微子混合參數θ13，具有造價低，速度快的優點。

大亞灣與嶺澳核電站

大亞灣核電基地是我國目前在運行核電裝機容量最大的核電基地。現有兩個相距1公裡的核電站：大亞灣核電站和嶺澳核電站，共有六臺百萬千瓦級壓水堆核電機組。

核電站在發電的同時，會產生大量的中微子。反應堆的功率越大，釋放的中微子數就越多，實驗精度就越高。距兩個核電站約300米處即有高100米左右的山體，在2公裡處有高400米左右的山體。這是一個得天獨厚的地理條件。由於足夠的巖石覆蓋，山體下實驗大廳裡的宇宙線將減到很小，這是進行高精度中微子實驗的一個重要前提。因此，大亞灣是世界上目前發現的最適合進行θ₁₃實驗的地方。

（大亞灣中微子實驗整體布局）

實驗方案

由於測量θ13具有重大科學意義，2003年前後國際上有7個國家提出了8個實驗方案，最終進入建設階段的共有3個：中國的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗和韓國的RENO實驗。

大亞灣實驗的布局方案如圖所示，共有3個實驗大廳，分別為大亞灣近點、嶺澳近點與遠點大廳。實驗廳均位於山腹內，由水平隧道相連。兩個近點均位於地下100米深處，遠點則位於地下350米處。每個實驗廳內各有一套宇宙線探測系統。中微子探測系統共有八個模塊，兩個近點各放置2個，遠點放置4個。此外還有兩個功能廳，用於液體閃爍體的混制、貯存和灌裝，及水的淨化處理。

隧道與實驗大廳建設

隧道與實驗大廳由黃河勘探規劃設計有限公司設計，中鐵十五局集團施工。項目組克服了大量困難，至2010年12月安全完成了核島附近的3000多次爆破，全部滿足國家核安全局的震動要求，建設了全長3000米的地下隧道和5個地下實驗廳。

實驗的探測器系統

每個實驗廳內都有一個巨大的長16米，高寬各10米的水池，存有約2000噸純淨水。中微子探測器模塊被浸泡在水池正中，如下圖所示。水池有兩個作用，一是用作宇宙線探測器，宇宙線穿過水池時，會激發出切倫科夫光，通過水池四周放置的光電倍增管探測切倫科夫光，可以探測到宇宙射線，從而將它對中微子探測的影響去除；二是用作屏蔽層，高能宇宙線在附近的巖石中會產生大量的次級粒子，巖石本身的天然放射性也會產生大量的伽馬光子，水可以將這些粒子擋在中微子探測器外，以免對中微子探測造成影響。水池上方覆蓋著4層大面積阻性板探測器（RPC）, 這也是一種宇宙線探測器。兩種探測器結合，對宇宙線的探測效率可以達到99.5％以上。

（探測系統示意圖）

（大面積阻性板探測器RPC）

中微子探測器探測中微子的中心探測器是直徑5米、高5米的圓桶，裡面裝有液體閃爍體，總重100噸。其核心部分是液體閃爍體和光電倍增管。中微子在探測器內發生反應後能夠激發液體閃爍體，產生微弱的閃爍光。光電倍增管探測到閃爍光，將它轉換成電信號，這樣我們就探測到了中微子。下圖顯示了中心探測器的機械結構。它由三層構成，中心為20噸的摻釓液體閃爍體，中間層為20噸普通液體閃爍體，最外層為40噸礦物油。三層之間用有機玻璃罐隔開。每個中心探測器在礦物油中裝有192個8英寸光電倍增管安裝。中心探測器頂上裝有三個自動刻度裝置，定時對探測器進行能量與時間的自動校準。

（中心探測器）

（3號實驗廳中，110噸重的中微子探測器正在吊裝入10米深的水池中）

發現新的中微子振蕩

2012年3月8日，大亞灣中微子實驗國際合作組宣布，發現了一種新的中微子振蕩模式，並測量到其振蕩機率為9.2％，誤差為1.7％。由於採用了遠近相對測量，實驗達到了前所未有的精度，無振蕩的概率僅為千萬分之一。論文於4月27日發表於美國物理評論快報（Physical Review Letters, Vol.108, No.17）。

通過兩個近點實驗廳（EH1, EH2）內的探測器測量反應堆中微子流強，在遠點實驗廳EH3觀測振蕩效應。對實驗數據進行分析，發現遠點觀測到的中微子數顯著低於預期，表明中微子在飛行過程中發生了振蕩，由電子反中微子轉變成了其它種類的中微子。圖中縱坐標為1處的虛線表示無振蕩的預期值，紅實線表示當振蕩參數sin22θ13=0.1時的預期值。

（大亞灣反中微子探磁器內部）

這是我國誕生的一項重大物理成果，在國際高能物理界引起熱烈反響，被評價為「開啟了未來中微子物理發展的大門」，併入選美國《科學》雜誌2012年度十大科學突破。精確測量是科學發現和突破的基礎。大亞灣實驗測量到θ13，將為今後中微子物理、天體物理、宇宙學等前沿科學研究提供精確的初值輸入，對基本粒子物理的大統一理論、尋找與鑑別新物理，甚至揭開「宇宙反物質消失之謎」具有重要意義。

（中微子探測器成功安裝在巨型水池之中）

2012年10月19日，大亞灣反應堆中微子實驗站的全部8個中微子探測器正式運行取數，標誌著實驗站的全面建成。實驗站將持續運行3至5年，把中微子混合角sin²2θ₁₃的測量精度提高4倍，並開展反應堆中微子能譜測量等相關研究。

合作研究

大亞灣中微子實驗項目得到了科技部、中國科學院、自然科學基金委、廣東省、深圳市和中國廣東核電集團的共同支持，同時也得到了美國能源部及其它境外機構的支持，是我國基礎科學領域最大的國際合作項目，是協同創新的典範。來自中國（包括香港、臺灣地區）、美國、俄羅斯、捷克的38個科研機構的約250位科學家參加實驗。其中100多位來自中科院高能所、清華大學、上海交通大學、山東大學、中國原子能研究院等中國大陸的科研機構，100多位來自美國、俄羅斯、捷克及中國香港、臺灣地區的科研機構。

另外，關於頒獎慶典視頻和關於中微子的高冷奇葩笑話如下：

   

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