作者 | 朱秋雨

编辑 | 向治霖

在广东江门开平市的一处山坳，一个即将改变世界认知的大科学装置正在地下700米处悄然运作。

8月26日，由中国科学家主导、17个国家的科研人员共同参与，历经10年建设的“地下”球型装置，正式运行取数。科学家的计划，是寻找在空气中看不见、摸不着，可以任意穿越物体且几乎不与物质发生作用的粒子——中微子。

因为过于神秘难料，物理界称它为“幽灵粒子”。有戏言称，“这就是‘阿飘’，也可以直接说是‘鬼’”“一天（科学家）能抓十几个”。

但实验物理学远没有外界想象的轻松。江门中微子试验探测器（JUNO)定下了一个看似微小，但对物理界而言难度极高的目标——找到中微子的质量排序。8月26日，项目牵头人、首席科学家王贻芳表示：“完成JUNO探测器灌注并开始运行取数，是一个历史性的里程碑。这是国际上首次运行这样一个超大规模和超高精度的中微子专用大科学装置，将使我们能够回答关于物质和宇宙本质的基本问题。”

江门中微子实验正式运行

从2013年立项到正式运行的10多年来，这一“大国重器”曾多次面临外界的质疑。倾注极高人力物力成本造就的“世界之最”，能否产生颠覆物理学的结果，或者换来一个“诺贝尔物理学奖”，都是未知数。

而中国科学家的答案是，在科学分析和论证的基础上，最大程度地坚持自己。

这样的态度适用于任何想要做出创新成就的人。“科学如果在开始发现之前，你就承诺说一定能发现什么粒子，那么这个发现一定不会特别重大。”王贻芳说。往前走，与未知性共存，是JUNO代表的科学精神。

微小的与最大的

许多第一次见到JUNO的人，都会为眼前“大国重器”的规模和设计所震撼。这个与外界隔绝的圆球型探测器，直径35.4米，放置于地下700米处，深44米的水池中央。球型 “外壳”由4.5万只“黄金眼”组成，远看就像地底伫立着一颗散发黄色光芒的恒星。

“黄金眼”名叫作光电倍增管，可以将光信号转换为电信号，供科学界用软件分析中微子。为了让难以捕捉的中微子尽快“现身”，球型装置内部还灌注了2万吨液体闪烁体（简称“液闪”），规模是美国同类型中微子实验室的1667倍。总而言之，这个泡在液体里的“球”，是世界最大的中微子探测器，代表了中国在高能物理领域的最高水平。

探测器结构剖面图

如此大规模的建设，却是为了寻找一类微小的粒子。这类粒子困扰了物理学界多年，成为许多物理学家的“梦魇”：名叫中微子的粒子无处不在，而人们却很难成功“捕获”它。

每秒，有3亿亿个太阳中微子穿过每个人的身体。甚至，人体内因钾-40衰变，每天会产生4亿个中微子。由于中微子实在是太小，很难用各种工具观测到，一度，它被认为是一种没有质量的“逆天”粒子。

1950年代开始，实验物理学家相继运用最大规模的装置，将探测器建设在地下或者核反应堆旁，或者太空上，试图确立微小的中微子的存在。“诺贝尔物理学奖”此后频繁在粒子物理学领域“开花”，至今有4次授予了在中微子领域取得发现的科学家们。

其中一位获得者，是华裔物理学家丁肇中。他在40岁得诺奖后，又花了21年，领导600多人的团队，验证了物理学的经典模型。那就是，构成物质世界的12种基本的粒子中，中微子占了其中的3种。

王贻芳是丁肇中在1980年代在瑞士日内瓦招的唯一一位中国大陆学生。如今，他成为了江门中微子实验探测器的主导者。上世纪末，他相继在最顶尖的欧洲核子研究中心（CERN）、麻省理工大学、斯坦福大学工作。但在2001年，他选择回国，做当时国内只有极少数人了解的中微子研究。

王贻芳/图源：中国科学院大学

回国的第二个项目，王贻芳直奔粒子物理学最重大、也是热门的研究——寻找中微子的第三种振荡模式。

“振荡”在物理学形容的是一个美丽又短暂的现象：中微子在运行过程中总是凭空消失一部分，不是它真的消亡了，而是它振荡变成了别的中微子。这也符合经典物理学的“能量守恒定律”。

在这之前，已经有两种振荡模式被其他国家的科学家发现。第一种中微子振荡是1998年日本超级神冈实验中发现的大气中微子振荡；第二种振荡是加拿大SNO实验发现的太阳中微子振荡。王贻芳想要抓紧找到第三种。

他曾在《探索“宇宙隐形人”》一书中比喻：3种中微子就好比苹果摘下来时有绿、红、黄三种颜色。在运输苹果的过程中，颜色会发生变化，绿苹果可能变为黄或者红，黄苹果也可能变成红或者绿苹果。当运输距离不同时，苹果变色的概率也会不同。

日本以及加拿大做的中微子实验，“已经测量到了‘绿苹果’经过长距离运输后变成黄苹果或红苹果的可能性”。而他想测量的是，在短距离运输时“苹果”的变色概率。这个概率由混合角θ13决定，是当时物理学的大难点。

2003年冬，王贻芳正式提出了大亚湾中微子方案，想在深圳大亚湾核电站旁，开凿研究中微子的地下实验室。他有他坚实的理论依据和方案：核反应堆本身是中微子最大的来源地之一，加上大亚湾核电站紧靠排牙山，天然能屏蔽宇宙其他射线和元素的干扰。

江门中微子实验正式运行

唯一的缺点是，这个方案造价高昂，需要国际专家的通力合作。

经过一轮又一轮的论证、协商，王贻芳主导的“中国方案”最终与美国科学家达成合作，成为与韩国RENO、法国的Double Chooz并列的三大中微子实验室。大亚湾实验室正式取数的55天后，2012年3月8日，王贻芳团队宣布，率先以5倍标准偏差，发现了第三种中微子振荡模式，混合角θ13的数值得到测量。

这一发现影响巨大。在物理学领域，5倍标准偏差意味着不允许有任何出错以及意外情况，对应发生概率为99.999943%。这一成果入选《科学》杂志“年度十大科学突破”，王贻芳作为中国专家，斩获2016年“基础物理学突破奖”。

大亚湾实验室的成功，促进了江门中微子实验室的落地。一年后，江门中微子实验室获批，两年后开工建设，这个大国重器被赋予了最重要的科学目标——测量中微子质量排序。这是全球粒子物理学家都迫切想知道的。

江门中微子实验

最大的不同是，江门中微子实验探测器比大亚湾的规模要大200倍，需要的是世界最顶尖的人才。2023年，连主导过大型物理实验的丁肇中参观江门中微子实验室时，也对学生王贻芳发出感叹，称自己从来没见过这么大规模的一个实验。

“他第二个评价就是，可以想象这样一个实验这么复杂，规模这么大，很容易出错。”王贻芳回忆说，“（丁肇中说：）‘你千万千万不要出错。’”

揭开最大谜团的窗口

主导一次耗时10年建设的工程，这不仅对王贻芳而言是第一次，在中国和世界都是第一的。粒子物理学界在多年发展中数次实践了相似逻辑——“形象地说，挑选中微子就如同从100万颗黄豆挑出1颗绿豆（中微子）。”

“所以，要想准确快速地挑出中微子，就要努力减少‘黄豆’的颗数。”有科学家比喻。这也是江门中微子实验室选择在地下700米凿出实验室的原因：只有到更深、更暗、更干净的地方，我们才能精准地让中微子现身。

实验大厅内，4个中微子探测器通过网络直播向大众呈现/图源：广州日报

许多人随即提问：中微子到底有什么样的作用，值得人类倾注一切力量，把它们抓到。

每当这时，王贻芳的答案通常是令人“晕头转向”的。因为，他会从粒子的组成以及宇宙的起源开始讲起。

“目前还不知道如何利用，但是中微子跟我们每个人都有关系。”他说，“宇宙在早期大爆炸的时候，整个空间有一个密度的涨落，这个差别最后变得越来越大，不均匀性越来越强，衍生出了银河系、太阳系。这些都和中微子的质量有关。”

“中微子质量如果为0的话，密度不同的结构是不可能存在的。所以中微子的性质对宇宙大爆炸之后如何演化到现在起了重要的作用。”王贻芳说。

这里的大背景是，中微子不只是粒子物理学的研究范畴，也在天体物理学和宇宙学的范畴。多年来，一个困扰了诸多物理学家，让天体物理停滞不前的问题，是“反物质”的消失问题。

也就是说，物理学经过多年的研究，发现宇宙大爆炸在开始的极短时间内，产生了大量数目相当的正物质和反物质。而现有的物理模型无法解释接下来的变化。

探测器装置的模型/图源：广州日报

反物质究竟是如何“不见”的，科学家们认为的一个研究方向是，反物质的消失应该来自正物质和反物质有不同的性质，导致宇宙在大爆炸时，最后产生的正物质比反物质多一点。

只是，通过实验，科学家发现，无论是（万有）引力、电磁相互作用还是强相互作用，对正物质和反物质的影响是完全一样的。按照物理学的语言，这是一种优美的“对称性”。

这时，只剩下已知的最后一种基本相互作用力——弱相互作用力，使正物质和反物质存在一些差别。

很多科学家因此将目光放在中微子的研究上。作为“幽灵粒子”，科学家们发现，中微子不像别的粒子和夸克，它不会被前述三种基本作用力吸引，只参加弱相互作用。物理学家将正、反中微子的差别命名为“CP破坏”，并用“CP破坏相角”来描述这一差别。

图源：中国科学院高能物理研究所

中微子从此变成研究反物质的窗口。科学家们相信，倘若CP破坏相角足够大，量子反常过程会将轻子反轻子不对称转化为宇宙中的正反物质不对称，最终导致当前的天体均由正物质组成。

2012年，大亚湾实验室对混合角θ13的成功测定给了很多人信心。王贻芳团队发现，混合角θ13足够大，这说明中微子的正物质和反物质的差别也可能大。从此，众多科学家和大国，将研究重心放在了对中微子的质量、性质测定。

“这便是宇宙的奇妙之处了。银河系的尺度约为10万光年，观测到的宇宙的尺度更是达到了137亿光年，但是宇宙最基本的组成单元却只有6种夸克及电子、中微子等17种基本粒子以及反粒子。”王贻芳写道：“要揭开宇宙的最大谜团‘反物质去哪里了’，也依赖于空间尺度小于10的负18次方米的粒子物理学。”

“这也意味着物理学极大和极小的统一。”

实验物理的意义

即使有了充分的科学目标和科学论据，主张建设大型物理装置的实验物理学家们仍要面对漫天的争议。

2012年，被称为“上帝粒子”的希格斯粒子（Higgs）被欧洲核子中心（CERN）的探测器发现。这一结果令粒子物理学界都感到激动，很多人相信，粒子物理学研究要进入一个全新篇章。

王贻芳很快提出，中国要建设一个成本可控的超大环形对撞机，从而进一步研究希格斯粒子。他坚信，这个超大对撞机一旦建成，中国将有机会在技术路径和设计方向上引领世界，领先世界几十年。

只是，当听说他的方案把建设超大对撞机分“两步走”，第一步耗资约400亿元，第二步耗资1000亿元时，很多人都产生了怀疑。

相似地，王贻芳在主导建设中微子实验室时，周围也充满各种疑虑和反对声。

为了测量混合角θ13，2003年冬，王贻芳带着经过反复测算的“大亚湾实验”方案在国内四处游说。据报道，王贻芳提出在大亚湾做中微子实验后，反对声贯穿了从提案到落地以及最终取数的10年。

王贻芳/图源：《闪耀的平凡》

开第一次筹备会时，很多参会者都表达了“做不成，肯定做不成”的想法。连负责挖隧道的施工队都表示，这个隧道太复杂了，挖不出来。

建设江门实验室时，更大的难题来了。江门中微子探测器与世界现存和曾经有的同类探测器相比，尺寸和规模都是最大的。而且，这个实验建造在地下700米处，周围裸露的岩石随处可见。洞室里还有具有天然放射性的氡气，这在地下密闭环境中含量可能很高，对人体有害。

困难都是难以预料的。据中国科学院高能物理研究所研究员衡月昆回忆，当项目开始往地下开建时，施工人员遇到的第一个难题竟是地下水的汹涌侵袭。“一个小时大概有500吨的水涌出来，把要这些水抽上来，项目才能再往前推进。”

除了需要克服有害的气体和不断涌出的地下水，中微子探测器还需要大量“日本制造”的光电倍增管。日本滨松公司曾对王贻芳扬言，中国人一定做不出来。为了打破日本公司的技术垄断，王贻芳团队历时11年，自主研发了20英寸高性能光电倍增管，成功将成本降低至进口的四分之一。

中心探测器内部的有机玻璃球及光电倍增管/刘悦湘 摄

上述困难用时间为尺度可以量化，5年、10年、20年……一个项目进展可能耗费科学家半辈子的心血。实验物理学家经常要面对的是无法对抗的时间，以及一辈子想要证明自己的野心。

“对于高能物理学领域来说，我们经常会用10年时间来让我们设想落地。然后再有10年时间去建设，等到再有成果的时候已经30年了。”王贻芳受访时说。在物理学的进展面前，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”的问题：研究中微子那么多年，人们倘若最后发现中微子无用，怎么办？

很多人都问过王贻芳类似的问题。他的答案是一致的，相信科学的进程和未来的正确。

他会坦率地承认，现阶段无法确定把中微子质量测出来后，会带来何种颠覆性成果。但是，“科学如果在开始发现之前，你就承诺说一定能发现什么粒子，这个发现一定不会特别重大”，王贻芳说。

JUNO探测到的一个反应堆中微子事例

比起关心反对声音，或者担心糟糕的运气，王贻芳选择最大程度地相信科学，并因此最大程度坚持自己。

他在受访时说：“科学上，这样也行，那样也行的事很多……遇到大家有不同意见的时候，可能有人觉得我为什么这么强硬，这么坚持，那我认为是我看清楚了这个结果，把道理想清楚了，这是个学术的问题。既然我已经看清楚，那当然我会坚持。”

他知道实验物理学的限制，也有过预判。等江门中微子实验室出成果时，他说不定已经退休了。而从一开始设计时，江门中微子实验室的目标是运行30年，后期可升级改造为世界最灵敏的无中微子双贝塔衰变实验室，将给更多实验腾出空间。

而在几十年为尺度的大型实验面前，物理研究的意义不只在于结果。

王贻芳说：“高能物理实验，核心的核心不在于最后的数据分析，不在于最后发文章，而是在于思想，在于你设计的设备。只要把这个设备做出来，该发现的Higgs（希格斯粒子）就永远在那，跑不掉的。”

科学奖励的是做好充分准备，愿意等待到最后的人。

“我们要追求的，是中国拥有一个这样的大型装备，”王贻芳说，“我不确保此后我们会得到诺贝尔奖，但我们要追求，中国可以成为世界科学中心，今后的技术中心。”