王貽芳在大亞灣中微子實驗站察看設備安裝情況。
外國專家參觀北京譜儀裝置。
宇宙大爆炸時，在第一秒鐘內就産生了無數的中微子。這些中微子卻是基本粒子中人類了解最少的，它們就像飄散在空間中的“幽靈”，沒有人知道它們如何在空間中存在。
科學家一直在努力尋找它們。18年前王貽芳回國，同國內的科學家一起推動我國的中微子實驗研究，實現從無到有，走到世界前列。
如今，王貽芳正在謀劃建設大型高能加速器，“對於粒子物理的研究，我們從以前的追趕到實現並跑，而現在是最好的機遇，決定着我們能不能領跑。”他坦言，捕捉“幽靈粒子”，自己正面臨“背水一戰”。
科技之星
王貽芳
現任中科院高能物理研究所所長，曾參與北京正負電子對撞機重大改造工程，並擔任北京譜儀分總體主任。他組建技術團隊在大亞灣反應堆中微子實驗中，在世界粒子物理學領域首次發現第三種中微子振蕩模式，還提出並牽頭開展了江門中微子實驗。
做自己的中微子實驗
捕捉“幽靈粒子”，關鍵要有大的科學裝置。中國到底應不應該建大型粒子對撞機？這個問題，曾引發物理界的大討論。楊振寧、丘成桐等物理學家圍繞建大型對撞機是否必要、300多億元人民幣的預算是否太高、技術方案是否可行等展開過激烈辯論，可謂針尖對麥芒。
作為大型環形正負電子對撞機（CEPC）的主要提出者和推動者，王貽芳堅稱，“開建大型對撞機，是中國在高能物理領域領先國際的一個難得的機遇。”
對撞機有什麼用？王貽芳解釋，它可以將兩束電性相反的帶電粒子加速到很高的能量，然後讓粒子迎頭相撞，繼而産生希格斯粒子。通俗點説，有了加速器，將方便科學家理解神秘的希格斯粒子，探索宇宙早期演化等一系列未解的物理規律。
但到底要不要建，國內的爭議還在持續。今年1月，歐洲核子研究中心公佈了環形對撞機（FCC）的《概念設計報告》，他們計劃投鉅資分兩步建超級對撞機。“我們和歐洲的方案都準備建周長100公里的環形軌道，走先電子對撞、後質子對撞的技術路線，這也驗證了我們方案的正確性和可行性。”王貽芳説。
王貽芳的立場來源於20多年對粒子物理學的研究。
1984年，王貽芳從南京大學物理系畢業，正趕上著名物理學家丁肇中招收高能物理研究生，系裏推薦了王貽芳參加。順利通過考核的王貽芳，畢業後赴歐洲核子中心開始參與丁肇中領導的高能正負電子對撞機的物理實驗。
從義大利佛羅倫薩到瑞士日內瓦，王貽芳在丁肇中的指導下度過了從研究生到博士後的11年，在正負電子對撞的研究上積累了經驗。
王貽芳是個喜歡挑戰的人。1996年，他開始關注許多科學家在捕捉的中微子。
什麼是中微子？王貽芳打了個比方，就像蓋房子需要磚，基本粒子就像是構成物質世界的磚塊。磚塊一共12種，其中3種就是被稱為“幽靈粒子”的中微子。“宇宙大爆炸時，在第一秒鐘內就産生了無數的中微子。它是基本粒子中人類了解最少的一個，也是破譯宇宙起源與演化密碼最重要的鑰匙之一。通過研究中微子，才能知道宇宙是如何形成的。”
1996年，王貽芳加入了國外一個中微子實驗項目，並成為小組的骨幹成員。
中微子是一種不帶電的，可以輕易穿過地球的小粒子，它在飛行過程中還會不斷變身，猶如川劇的“變臉”——一種中微子在飛行過程中變為另一種中微子，然後再變回來，3種中微子之間可以發生三種振蕩。這在物理學的術語裏，被稱為中微子振蕩。
那時候，包括王貽芳所在實驗組在內的許多實驗組都在尋找中微子振蕩。
王貽芳這一待又是5年，直到中微子振蕩被別人搶先發現了。雖有遺憾，但他迎來了另一個機會。
2001年，王貽芳接到中科院高能所的邀請。那時候，國家科教領導小組審議並原則通過了中國科學院提交的《我國高能物理和先進加速器發展目標》，確定了中國高能物理和先進加速器的發展戰略。
“這意味着，我們國家的高能物理研究將進入一個新的發展階段。我要回國！做一個自己的中微子實驗。”隨後，王貽芳做通了家人的工作後，回國加入中科院高能所。
北京正負電子對撞機“升級”
雖然當時國內科研環境和條件比自己出國時已有很大進步，但王貽芳發現，推進中微子的研究沒有想像中那麼容易，最關鍵的是，沒有合適的團隊。
機緣巧合，北京譜儀建設需要負責人，王貽芳決定，暫時放下中微子，投入北京正負電子對撞機的重大改造項目中。隨後，他擔任起大型粒子探測器第三代北京譜儀分總體的主任，全面負責裝置的設計、研製、調試和運作工作。
北京正負電子對撞機是我國第一台高能加速器，也是高能物理研究的重大科技基礎設施。雖然上世紀80年代我國就建成了北京正負電子對撞機，但這次改造可以説是第一次自主設計如此大型、複雜的科學裝置。
完全自主創新，就意味着全部從零開始，從系統原理、物理目標、設計思想起，一步步開始。
作為第三代北京譜儀的關鍵部件之一，超導磁鐵的研製至關重要。由於測量電子對撞産物需要很強的磁場，一般需要通過加大電磁鐵線圈纏繞圈數、加大電磁鐵電流等得到強磁場，但過多纏繞線圈又會導致磁鐵體積過大、溫度過高等。如果有了超導磁鐵，超導磁鐵就可以利用導體在一定溫度條件下電阻為零的現象，給磁鐵中加入強電流，從而得到強磁場。
可國內從未做過這麼大的超導磁體，高能所的經驗幾乎為零。
一家公司找來，希望承包這項研究。為了少走彎路，按時完成任務，王貽芳和他們談成了一個特殊的條件，“讓他們參與，但只能在高能所進行，由我們的人參與研製。相當於我們多花不到5%的錢，請他們帶着我們的技術人員研究。”王貽芳説。
超導磁鐵有一個特殊的問題——無法做中間試驗。“幾千萬元的東西全部做完，通上電測試，成就成，不成就毀了，錢也就打水漂了，風險巨大。”當時，王貽芳每天提心吊膽，下班前總會去轉一圈看一看。
纏繞線圈時，對線纏繞預應力、內部潔凈度等要求很高。技術團隊24小時不停地鑽進磁鐵內纏繞、刷低溫膠，整整幹了3個月。技術團隊採用了一種特殊的低溫環氧膠，這種低溫膠滲透力很強，技術人員雖然戴着橡膠防護手套，但手上還是脫了皮，後來通過通風除汗、橡膠加棉手套雙層保護，這一問題才得以解決。
經過3年多的努力，磁鐵總算裝起來了，但還是出了問題，低溫系統不能正常工作。經過修改，還是沒有效果。那家公司選擇退出，剩下王貽芳帶領團隊“孤軍奮戰”。整整半年，他們通過仔細分析，準確找出了問題所在，於是每天加班加點進行改造，終於將溫度降到零下270℃左右，實現了超導。
最終，這個直徑3.4米、長度4米、電流3000多安培、最大儲能達到1000萬焦耳的超導磁鐵，各項指標達到設計要求，而它的價格還不到國外的三分之一。
除了大型超導磁鐵，王貽芳帶領的第三代北京譜儀還在漂移室、阻性板探測器、晶體量能器、鈹束流管等研製上實現技術突破，達到國際領先水準。
“後來才意識到，其實這是一個重要的鍛煉機會，通過這個項目培養出了一支能幹的科研團隊，不然也不會有後面的大亞灣實驗了。”王貽芳的內心，並沒有放下中微子。
艱難曲折的“大亞灣實驗”
2002年，國外通過實驗確認了中微子振蕩的存在，尋找第三種振蕩模式成為中微子研究的新熱點。2003年，王貽芳決定行動起來，他提出，在大亞灣附近的山體內建造中微子探測器。
心之所向，行之所往。
從提出想法到項目組正式成立，王貽芳花了3年時間。首先是人才問題，靠着第三代北京譜儀項目，王貽芳召集了一批國內優秀科學家。而國外也看中了這個大型實驗的科學潛力，美國、俄羅斯等國家和地區的上百位研究人員也參加了項目組。由王貽芳為代表的中國科學家在國內開闢了國際實驗合作模式，並掌握了實驗的主導權。
還有一個問題是經費。經過王貽芳多方奔走，最終國家有關部門、地方政府、企業與國外科研機構共同出資，支援力度在當時也是空前的。
2006年，大亞灣中微子實驗項目組成立。第二年10月，該項目正式動工。
選址經過了多番考慮。大亞灣核電基地有6台百萬千瓦的核電機組，可以為實驗提供源源不斷的中微子。
與此同時，南韓和法國兩個實驗組也在進行相同的中微子實驗，這無疑給項目組帶來巨大壓力。儘早獲取數據，成為最重要的任務。
三個實驗大廳共放了8台中微子探測器，每台探測器高5米、直徑5米，裝滿透明的液體閃爍體，重達110噸，都要“泡”在10米深的水池中。
怎麼保證這些探測器不進水？
“我們想到用鋼罐把設備封起來，避免漏水。但沒有人做過直徑5米的真空級別的鋼罐。”王貽芳解釋，這要求鋼罐本身精度要高，變形要小，特別是要保持表面的平整度。用於真空密封的O型圈要既相容水，也相容油，市面上沒有，只能自己做。最後，光是為了16個O型圈，他們就花了幾十萬元，從模具開始，再加工出特殊的真空密封O型圈。
類似的技術難題，王貽芳和技術團隊遇到很多。為了在激烈的國際競爭中勝出，王貽芳決定以8個中微子探測器中的6個提前取數。在2011年12月24日至2012年2月17日的實驗中，項目團隊利用55天觀測到的中微子，完成了實驗數據的獲取、品質檢查、刻度、修正和數據分析。結果表明，中微子第三種振蕩幾率為9.2%，誤差為1.7%，首次發現了新的中微子振蕩模式。
歷時近10年、花費2.5億元的中微子實驗終於迎來重大突破，而該結果也被稱為“粒子物理中極基本、極重要的參數”。該項目獲國家自然科學一等獎。
自樹其幟助中國科學領跑
凡事預則立。
王貽芳的所有科研項目都不是按部就班、完成一個再接一個這樣進行的。北京譜儀還在研製的時候，王貽芳已經在謀劃大亞灣實驗。同樣，2008年，大亞灣中微子實驗進行得如火如荼之時，第二個大型中微子實驗項目列入了他的計劃。
2013年，江門中微子實驗正式開啟。
雖然有了大亞灣實驗的鋪墊，江門中微子實驗的難度和技術挑戰卻並未減少。“江門實驗主要是測量中微子的品質順序和中微子混合參數，探測器的規模一下子從100噸擴大到2萬噸，土建工程的規模大約是大亞灣項目的3至5倍。” 王貽芳解釋。
“我們建任何一個裝置，少則幾年，多則十幾年，運作還要十幾年。而建裝置只是手段，並不是目的，所以從科學目標的角度規劃，自然要提早二十年。”做科研時，王貽芳一直強調前瞻性。
現任中科院高能所青年特聘研究員的錢森，從求學到工作的15年間，一直跟着王貽芳從事大科學裝置建設工程。
錢森還記得，當時做學生時參加北京譜儀建設項目，每週五中午是雷打不動的學生例會時間，不管多忙，導師都要召集學生聚到一起討論進展。錢森説，有一次小長假他偷懶沒及時收心，導致實驗沒什麼進展，在例會上他看到老師低着頭、閉着眼睛，以為能矇混過關，就把之前彙報過的研究結果又説了一遍。沒想到，老師立馬抬起頭，嚴肅批評了他。
“做基礎科學的研究容不得半點馬虎。”王貽芳曾説過，基礎研究就像蓋房子所需的磚頭，雖然不知道某一塊磚有什麼用，但如果把這塊磚抽掉，房子可能坍塌。
做事嚴謹的王貽芳，如今正在為環形正負電子對撞機項目奔走。“關鍵技術的攻關，項目的選址，還有國際合作，都需要做完整、全面、徹底的論證，這也是我們現在正在做的事情。”按照王貽芳的規劃，中國大型環形正負電子對撞機的建設時間是2022-2032年，而歐洲核子中心公佈的是2030-2040年。
學者當自樹其幟。
“到目前為止，在大科學裝置上，我們做得更多的是填補空白和拾遺補缺的工作。”王貽芳認為，建超級對撞機，中歐前後相差了10年，這會是中國高能物理學一個能夠領跑世界的機會，大家只有“背水一戰”。（任珊）
