基础物理突破大奖： 揭秘王贻芳与大亚湾中微子实验

　　北京时间 11 月 9 日上午，2016 年国际“突破奖”（The Breakthrough Prize) 颁奖仪式在美国加州圣何塞举行。著名物理学家、中国科学院高能物理研究所所长王贻芳作为大亚湾中微子项目的首席科学家获得"基础物理学突破奖"（Fundamental Physics Breakthrough Prize），分享高达 300 万美元的奖金。这是中国科学家首次获得这一殊荣。

　　傅亮和祁晓亮同时荣获基础物理新视野奖，中国物理学呈井喷之势。

　　文末还有关于颁奖庆典视频和关于中微子的高冷奇葩笑话视频。

　　国际突破奖到底是怎么回事？看看这个 2016 年"科学突破奖"基础物理学获奖项目介绍视频：

　　近年来，国际中微子研究竞争激烈，王贻芳团队凭借什么成就摘得这一桂冠？他是如何据理力争，保住了中国在国际合作中的主动权？ 中微子是否会继续诺奖辉煌？让我们走近王贻芳，走近大亚湾，走近中微子。

　　“突破奖”由俄罗斯科技界投资人尤里·米尔纳（Yuri Milner）成立于 2012 年，最初用于表彰在物理领域的突破性研究。米尔纳希望该奖项可以“建立科学和理性主义的正面形象，并引导人们对科技的未来保持乐观态度”，并且提升科学家在公众视线里的地位。后来奖项也扩大到生命科学和数学领域。

　　突破奖吸引了众多的科技富豪赞助，除尤里·米尔纳夫妇外，还有 Facebook 的扎克伯格夫妇、阿里巴巴的马云夫妇以及谷歌联合创办人 Sergey Brin 及夫人。11 月 9 号颁发的 2016 年突破奖总奖金高达 2190 万美元，单项奖金高达 300 万美元，远远超过诺贝尔奖金额。历届获奖者也群星灿烂，如华人天才数学家陶哲轩。

　　突破奖还设立了表彰有潜力的年轻科研人员的物理新视野奖。今年获奖的就有麻省理工学院的傅亮教授和斯坦福大学的祁晓亮教授，表彰他们在凝聚态物理学方面做出的贡献，特别是运用拓扑研究新的物态。傅亮是 1985 年出生的 80 后，中国科技大学少年班 2004 年毕业，2009 年在美国宾夕法尼亚大学获得物理博士学位，曾在哈佛大学做博士后，2012 年 1 月成为 MIT 的助理教授。祁晓亮 1983 年出生于辽宁康平，1999 年年仅 16 岁以辽宁理科状元身份考入清华大学物理系，本科毕业后师从清华大学高等研究中心翁征宇教授攻读博士学位。2006 年底前往斯坦福大学跟随张首晟做博后，目前是斯坦福大学的副教授。

（祁晓亮与杨振宁、张首晟合影）

　　王贻芳与大亚湾中微子实验

　　下面，让我们回到主题，走近基础物理突破的王贻芳。

　　1984 年，王贻芳从南京大学物理系原子核物理专业毕业，同年为诺贝尔奖获得者丁肇中选中，远赴欧洲核子研究中心参加其领导的 L3 实验。1992 年，王贻芳获得意大利佛罗伦萨大学博士学位后，到美国麻省理工学院工作，1996 年加入美国斯坦福大学的一个中微子实验项目，并成为其中的骨干人员。王贻芳在国外工作 17 年间，先后参加了 L3、AMS、PaloVerde 和 KamLAND 等国际粒子物理最前沿的实验。2001 年，作为中国科学院“引进国外杰出人才”，他心怀梦想来到高能物理研究所工作。回国后的短短十年间，他领导了国内两个最大的粒子物理实验 - 北京谱仪 III 实验和大亚湾中微子实验，将中国粒子物理研究推向了前所未有的新高度。

　　大亚湾中微子实验是中国基础科学领域目前最大的国际合作项目，由中国、美国领导和俄罗斯、捷克及中国香港与中国台湾科学家共同参与。其 2006 年立项，2007 年 10 月动工，2011 年年中逐步完成探测器的建造与安装，同年 8 月开始近点取数、12 月下旬开始远近点同时运行。整个实验建有总长 3 公里的隧道和 3 个地下实验大厅，3 个实验大厅共放置 8 台中微子探测器，每台探测器高 5 米、直径 5 米、重 110 吨，均置于 10 米深的水池中。

　　2012 年 3 月，在北京的中国科学院高能物理研究所，王贻芳与紧张展开着战斗。总数接近 300 人的研究团队经过 55 天不眠不休的不断摸索之后收集到了实验数据。不可能出现错误。在带着祈祷进行分析时，计算公式显示出可靠的趋势——以 99.9999％ 以上的精度确定了“第三种中微子振荡”。

　　作为基本粒子，中微子是构成物质的最小单位之一。在物理学和天文学领域，这是全世界研究人员等都在竞相获取成果的最尖端研究主题。在日本，东京大学特别荣誉教授小柴昌俊以此荣获诺贝尔奖，并由此广为人知。王贻芳等人发现的是在这些中微子研究中被视为“最后的未知数”的物理现象。

（构成物质世界的 12 种最基本粒子，其中 3 种为中微子）

　　然而早在大亚湾中微子实验项目之初，整个工程估算下来至少需要 1.5 亿元。王贻芳拿出自己的“百人计划”人才基金，加上高能所特批的几十万元也只有百万元，相比亿元只是杯水车薪。没办法，他只好一个一个“找支持”，最终，包括科技部在内的 6 家单位共同出资 1.57 亿元。

　　尽管“第三种振荡”变化非常小，甚至被视为“或许并不存在”，但王贻芳充满信心：“因为合作者很多，而且实验设备精良！”不过，大亚湾中微子项目的主要合作方中国、美国却在实验方案上出现了分歧：若按照美国的方案走，可以争取到国际合作，但中方的贡献和地位就有限；反之，可能就没有国际合作，项目可能根本无法在国内立项。王贻芳在最关键的时刻顶住了压力，单刀赴会，舌战群儒，“我坚信我的方案最正确。而且中国要花这么多钱，如果把方案让给你们，这种事情绝对不能做！”虽然这次碰撞并不算愉快，但从结果上看，王贻芳为中国保住了中微子实验的主导权。

　　其实，所有的努力或许都来自王贻芳对物理学的热爱与执着。“要问研究中微子是否能让我们的生活更美好，完全没有这种作用。但是，我希望加深对这个宇宙和世界的理解。”

　　利用反应堆中微子实验测量θ13

　　当时国际中微子物理实验的前沿是精确测量中微子混合参数θ13。其重要性体现在θ13 是中微子物理中两个最基本的未知参数之一，其数值的大小决定了未来中微子物理研究的发展方向。如果 sin22θ13 大于 0.01 左右，则中微子的 CP 相角可以测量，宇宙中物质与反物质的不对称可能得以解释。如果它太小，则中微子的 CP 相角极难测量，用中微子来解释宇宙中物质与反物质不对称的理论便难以证实。θ13 接近于零也预示着新物理或一种新的对称性的存在。因此不论是测得θ13 或只给出其上限值，均有极为重要的意义。与加速器实验相比，反应堆中微子实验可以毫不含糊地确定中微子混合参数θ13，具有造价低，速度快的优点。

　　大亚湾与岭澳核电站

　　大亚湾核电基地是我国目前在运行核电装机容量最大的核电基地。现有两个相距 1 公里的核电站：大亚湾核电站和岭澳核电站，共有六台百万千瓦级压水堆核电机组。

　　核电站在发电的同时，会产生大量的中微子。反应堆的功率越大，释放的中微子数就越多，实验精度就越高。距两个核电站约 300 米处即有高 100 米左右的山体，在 2 公里处有高 400 米左右的山体。这是一个得天独厚的地理条件。由于足够的岩石覆盖，山体下实验大厅里的宇宙线将减到很小，这是进行高精度中微子实验的一个重要前提。因此，大亚湾是世界上目前发现的最适合进行θ13 实验的地方。

大亚湾中微子实验整体布局

　　实验方案

　　由于测量θ13 具有重大科学意义，2003 年前后国际上有 7 个国家提出了 8 个实验方案，最终进入建设阶段的共有 3 个：中国的大亚湾实验、法国的 Double Chooz 实验和韩国的 RENO 实验。

　　大亚湾实验的布局方案如图所示，共有 3 个实验大厅，分别为大亚湾近点、岭澳近点与远点大厅。实验厅均位于山腹内，由水平隧道相连。两个近点均位于地下 100 米深处，远点则位于地下 350 米处。每个实验厅内各有一套宇宙线探测系统。中微子探测系统共有八个模块，两个近点各放置 2 个，远点放置 4 个。此外还有两个功能厅，用于液体闪烁体的混制、贮存和灌裝，及水的净化处理。

　　隧道与实验大厅建设

　　隧道与实验大厅由黄河勘探规划设计有限公司设计，中铁十五局集团施工。项目组克服了大量困难，至 2010 年 12 月安全完成了核岛附近的 3000 多次爆破，全部满足国家核安全局的震动要求，建设了全长 3000 米的地下隧道和 5 个地下实验厅。

　　实验的探测器系统

　　每个实验厅内都有一个巨大的长 16 米，高宽各 10 米的水池，存有约 2000 吨纯净水。中微子探测器模块被浸泡在水池正中，如下图所示。水池有两个作用，一是用作宇宙线探测器，宇宙线穿过水池时，会激发出切伦科夫光，通过水池四周放置的光电倍增管探测切伦科夫光，可以探测到宇宙射线，从而将它对中微子探测的影响去除；二是用作屏蔽层，高能宇宙线在附近的岩石中会产生大量的次级粒子，岩石本身的天然放射性也会产生大量的伽马光子，水可以将这些粒子挡在中微子探测器外，以免对中微子探测造成影响。水池上方覆盖着 4 层大面积阻性板探测器（RPC）， 这也是一种宇宙线探测器。两种探测器结合，对宇宙线的探测效率可以达到 99.5％ 以上。

探测系统示意图

大面积阻性板探测器 RPC

　　中微子探测器探测中微子的中心探测器是直径 5 米、高 5 米的圆桶，里面装有液体闪烁体，总重 100 吨。其核心部分是液体闪烁体和光电倍增管。中微子在探测器内发生反应后能够激发液体闪烁体，产生微弱的闪烁光。光电倍增管探测到闪烁光，将它转换成电信号，这样我们就探测到了中微子。下图显示了中心探测器的机械结构。它由三层构成，中心为 20 吨的掺钆液体闪烁体，中间层为 20 吨普通液体闪烁体，最外层为 40 吨矿物油。三层之间用有机玻璃罐隔开。每个中心探测器在矿物油中装有 192 个 8 英寸光电倍增管安装。中心探测器顶上装有三个自动刻度装置，定时对探测器进行能量与时间的自动校准。

中心探测器

3 号实验厅中，110 吨重的中微子探测器正在吊装入 10 米深的水池中

　　发现新的中微子振荡

　　2012 年 3 月 8 日，大亚湾中微子实验国际合作组宣布，发现了一种新的中微子振荡模式，并测量到其振荡几率为 9.2％，误差为 1.7％。由于采用了远近相对测量，实验达到了前所未有的精度，无振荡的概率仅为千万分之一。论文于 4 月 27 日发表于美国物理评论快报（Physical Review Letters, Vol.108, No.17）。

　　通过两个近点实验厅（EH1, EH2）内的探测器测量反应堆中微子流强，在远点实验厅 EH3 观测振荡效应。对实验数据进行分析，发现远点观测到的中微子数显著低于预期，表明中微子在飞行过程中发生了振荡，由电子反中微子转变成了其它种类的中微子。图中纵坐标为 1 处的虚线表示无振荡的预期值，红实线表示当振荡参数 sin22θ13=0.1 时的预期值。

大亚湾反中微子探磁器内部

　　这是我国诞生的一项重大物理成果，在国际高能物理界引起热烈反响，被评价为“开启了未来中微子物理发展的大门”，并入选美国《科学》杂志 2012 年度十大科学突破。精确测量是科学发现和突破的基础。大亚湾实验测量到θ13，将为今后中微子物理、天体物理、宇宙学等前沿科学研究提供精确的初值输入，对基本粒子物理的大统一理论、寻找与鉴别新物理，甚至揭开“宇宙反物质消失之谜”具有重要意义。

中微子探测器成功安装在巨型水池之中

　　2012 年 10 月 19 日，大亚湾反应堆中微子实验站的全部 8 个中微子探测器正式运行取数，标志着实验站的全面建成。实验站将持续运行 3 至 5 年，把中微子混合角 sin22θ13 的测量精度提高 4 倍，并开展反应堆中微子能谱测量等相关研究。

　　合作研究

　　大亚湾中微子实验项目得到了科技部、中国科学院、自然科学基金委、广东省、深圳市和中国广东核电集团的共同支持，同时也得到了美国能源部及其它境外机构的支持，是我国基础科学领域最大的国际合作项目，是协同创新的典范。来自中国（包括香港、台湾地区）、美国、俄罗斯、捷克的 38 个科研机构的约 250 位科学家参加实验。其中 100 多位来自中科院高能所、清华大学、上海交通大学、山东大学、中国原子能研究院等中国大陆的科研机构，100 多位来自美国、俄罗斯、捷克及中国香港、台湾地区的科研机构。

　　另外，关于颁奖庆典视频和关于中微子的高冷奇葩笑话如下：

　　本文作者胡舟，文章来自知社学术圈。

　　【作者介绍】知社学术圈（zhishexueshuquan），海归学者发起的公益学术交流平台，旨在分享学术信息，整合学术资源，加强学术交流，促进学术进步。