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  • 捕捉“幽灵粒子”

        本报记者 任珊

        宇宙大爆炸时,在第一秒钟内就产生了无数的中微子。这些中微子却是基本粒子中人类了解最少的,它们就像飘散在空间中的“幽灵”,没有人知道它们如何在空间中存在。

        科学家一直在努力寻找它们。18年前王贻芳回国,同国内的科学家一起推动我国的中微子实验研究,实现从无到有,走到世界前列。

        如今,王贻芳正在谋划建设大型高能加速器,“对于粒子物理的研究,我们从以前的追赶到实现并跑,而现在是最好的机遇,决定着我们能不能领跑。”他坦言,捕捉“幽灵粒子”,自己正面临“背水一战”。

        科技之星

        王贻芳

        现任中科院高能物理研究所所长,曾参与北京正负电子对撞机重大改造工程,并担任北京谱仪分总体主任。他组建技术团队在大亚湾反应堆中微子实验中,在世界粒子物理学领域首次发现第三种中微子振荡模式,还提出并牵头开展了江门中微子实验。

        做自己的中微子实验

        捕捉“幽灵粒子”,关键要有大的科学装置。中国到底应不应该建大型粒子对撞机?这个问题,曾引发物理界的大讨论。杨振宁、丘成桐等物理学家围绕建大型对撞机是否必要、300多亿元人民币的预算是否太高、技术方案是否可行等展开过激烈辩论,可谓针尖对麦芒。

        作为大型环形正负电子对撞机(CEPC)的主要提出者和推动者,王贻芳坚称,“开建大型对撞机,是中国在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。”

        对撞机有什么用?王贻芳解释,它可以将两束电性相反的带电粒子加速到很高的能量,然后让粒子迎头相撞,继而产生希格斯粒子。通俗点说,有了加速器,将方便科学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规律。

        但到底要不要建,国内的争议还在持续。今年1月,欧洲核子研究中心公布了环形对撞机(FCC)的《概念设计报告》,他们计划投巨资分两步建超级对撞机。“我们和欧洲的方案都准备建周长100公里的环形轨道,走先电子对撞、后质子对撞的技术路线,这也验证了我们方案的正确性和可行性。”王贻芳说。

        王贻芳的立场来源于20多年对粒子物理学的研究。

        1984年,王贻芳从南京大学物理系毕业,正赶上著名物理学家丁肇中招收高能物理研究生,系里推荐了王贻芳参加。顺利通过考核的王贻芳,毕业后赴欧洲核子中心开始参与丁肇中领导的高能正负电子对撞机的物理实验。

        从意大利佛罗伦萨到瑞士日内瓦,王贻芳在丁肇中的指导下度过了从研究生到博士后的11年,在正负电子对撞的研究上积累了经验。

        王贻芳是个喜欢挑战的人。1996年,他开始关注许多科学家在捕捉的中微子。

        什么是中微子?王贻芳打了个比方,就像盖房子需要砖,基本粒子就像是构成物质世界的砖块。砖块一共12种,其中3种就是被称为“幽灵粒子”的中微子。“宇宙大爆炸时,在第一秒钟内就产生了无数的中微子。它是基本粒子中人类了解最少的一个,也是破译宇宙起源与演化密码最重要的钥匙之一。通过研究中微子,才能知道宇宙是如何形成的。”

        1996年,王贻芳加入了国外一个中微子实验项目,并成为小组的骨干成员。

        中微子是一种不带电的,可以轻易穿过地球的小粒子,它在飞行过程中还会不断变身,犹如川剧的“变脸”——一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子,然后再变回来,3种中微子之间可以发生三种振荡。这在物理学的术语里,被称为中微子振荡。

        那时候,包括王贻芳所在实验组在内的许多实验组都在寻找中微子振荡。

        王贻芳这一待又是5年,直到中微子振荡被别人抢先发现了。虽有遗憾,但他迎来了另一个机会。

        2001年,王贻芳接到中科院高能所的邀请。那时候,国家科教领导小组审议并原则通过了中国科学院提交的《我国高能物理和先进加速器发展目标》,确定了中国高能物理和先进加速器的发展战略。

        “这意味着,我们国家的高能物理研究将进入一个新的发展阶段。我要回国!做一个自己的中微子实验。”随后,王贻芳做通了家人的工作后,回国加入中科院高能所。    

        北京正负电子对撞机“升级”

        虽然当时国内科研环境和条件比自己出国时已有很大进步,但王贻芳发现,推进中微子的研究没有想象中那么容易,最关键的是,没有合适的团队。

        机缘巧合,北京谱仪建设需要负责人,王贻芳决定,暂时放下中微子,投入北京正负电子对撞机的重大改造项目中。随后,他担任起大型粒子探测器第三代北京谱仪分总体的主任,全面负责装置的设计、研制、调试和运行工作。

        北京正负电子对撞机是我国第一台高能加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。虽然上世纪80年代我国就建成了北京正负电子对撞机,但这次改造可以说是第一次自主设计如此大型、复杂的科学装置。

        完全自主创新,就意味着全部从零开始,从系统原理、物理目标、设计思想起,一步步开始。

        作为第三代北京谱仪的关键部件之一,超导磁铁的研制至关重要。由于测量电子对撞产物需要很强的磁场,一般需要通过加大电磁铁线圈缠绕圈数、加大电磁铁电流等得到强磁场,但过多缠绕线圈又会导致磁铁体积过大、温度过高等。如果有了超导磁铁,超导磁铁就可以利用导体在一定温度条件下电阻为零的现象,给磁铁中加入强电流,从而得到强磁场。

        可国内从未做过这么大的超导磁体,高能所的经验几乎为零。

        一家公司找来,希望承包这项研究。为了少走弯路,按时完成任务,王贻芳和他们谈成了一个特殊的条件,“让他们参与,但只能在高能所进行,由我们的人参与研制。相当于我们多花不到5%的钱,请他们带着我们的技术人员研究。”王贻芳说。

        超导磁铁有一个特殊的问题——无法做中间试验。“几千万元的东西全部做完,通上电测试,成就成,不成就毁了,钱也就打水漂了,风险巨大。”当时,王贻芳每天提心吊胆,下班前总会去转一圈看一看。

        缠绕线圈时,对线缠绕预应力、内部洁净度等要求很高。技术团队24小时不停地钻进磁铁内缠绕、刷低温胶,整整干了3个月。技术团队采用了一种特殊的低温环氧胶,这种低温胶渗透力很强,技术人员虽然戴着橡胶防护手套,但手上还是脱了皮,后来通过通风除汗、橡胶加棉手套双层保护,这一问题才得以解决。

        经过3年多的努力,磁铁总算装起来了,但还是出了问题,低温系统不能正常工作。经过修改,还是没有效果。那家公司选择退出,剩下王贻芳带领团队“孤军奋战”。整整半年,他们通过仔细分析,准确找出了问题所在,于是每天加班加点进行改造,终于将温度降到零下270℃左右,实现了超导。

        最终,这个直径3.4米、长度4米、电流3000多安培、最大储能达到1000万焦耳的超导磁铁,各项指标达到设计要求,而它的价格还不到国外的三分之一。

        除了大型超导磁铁,王贻芳带领的第三代北京谱仪还在漂移室、阻性板探测器、晶体量能器、铍束流管等研制上实现技术突破,达到国际领先水平。

        “后来才意识到,其实这是一个重要的锻炼机会,通过这个项目培养出了一支能干的科研团队,不然也不会有后面的大亚湾实验了。”王贻芳的内心,并没有放下中微子。

        艰难曲折的“大亚湾实验”

        2002年,国外通过实验确认了中微子振荡的存在,寻找第三种振荡模式成为中微子研究的新热点。2003年,王贻芳决定行动起来,他提出,在大亚湾附近的山体内建造中微子探测器。

        心之所向,行之所往。

        从提出想法到项目组正式成立,王贻芳花了3年时间。首先是人才问题,靠着第三代北京谱仪项目,王贻芳召集了一批国内优秀科学家。而国外也看中了这个大型实验的科学潜力,美国、俄罗斯等国家和地区的上百位研究人员也参加了项目组。由王贻芳为代表的中国科学家在国内开辟了国际实验合作模式,并掌握了实验的主导权。

        还有一个问题是经费。经过王贻芳多方奔走,最终国家有关部门、地方政府、企业与国外科研机构共同出资,支持力度在当时也是空前的。

        2006年,大亚湾中微子实验项目组成立。第二年10月,该项目正式动工。

        选址经过了多番考虑。大亚湾核电基地有6台百万千瓦的核电机组,可以为实验提供源源不断的中微子。

        与此同时,韩国和法国两个实验组也在进行相同的中微子实验,这无疑给项目组带来巨大压力。尽早获取数据,成为最重要的任务。

        三个实验大厅共放了8台中微子探测器,每台探测器高5米、直径5米,装满透明的液体闪烁体,重达110吨,都要“泡”在10米深的水池中。

        怎么保证这些探测器不进水?

        “我们想到用钢罐把设备封起来,避免漏水。但没有人做过直径5米的真空级别的钢罐。”王贻芳解释,这要求钢罐本身精度要高,变形要小,特别是要保持表面的平整度。用于真空密封的O型圈要既兼容水,也兼容油,市面上没有,只能自己做。最后,光是为了16个O型圈,他们就花了几十万元,从模具开始,再加工出特殊的真空密封O型圈。

        类似的技术难题,王贻芳和技术团队遇到很多。为了在激烈的国际竞争中胜出,王贻芳决定以8个中微子探测器中的6个提前取数。在2011年12月24日至2012年2月17日的实验中,项目团队利用55天观测到的中微子,完成了实验数据的获取、质量检查、刻度、修正和数据分析。结果表明,中微子第三种振荡几率为9.2%,误差为1.7%,首次发现了新的中微子振荡模式。

        历时近10年、花费2.5亿元的中微子实验终于迎来重大突破,而该结果也被称为“粒子物理中极基本、极重要的参数”。该项目获国家自然科学一等奖。

        自树其帜助中国科学领跑

        凡事预则立。

        王贻芳的所有科研项目都不是按部就班、完成一个再接一个这样进行的。北京谱仪还在研制的时候,王贻芳已经在谋划大亚湾实验。同样,2008年,大亚湾中微子实验进行得如火如荼之时,第二个大型中微子实验项目列入了他的计划。

        2013年,江门中微子实验正式开启。

        虽然有了大亚湾实验的铺垫,江门中微子实验的难度和技术挑战却并未减少。“江门实验主要是测量中微子的质量顺序和中微子混合参数,探测器的规模一下子从100吨扩大到2万吨,土建工程的规模大约是大亚湾项目的3至5倍。” 王贻芳解释。

        “我们建任何一个装置,少则几年,多则十几年,运行还要十几年。而建装置只是手段,并不是目的,所以从科学目标的角度规划,自然要提早二十年。”做科研时,王贻芳一直强调前瞻性。

        现任中科院高能所青年特聘研究员的钱森,从求学到工作的15年间,一直跟着王贻芳从事大科学装置建设工程。

        钱森还记得,当时做学生时参加北京谱仪建设项目,每周五中午是雷打不动的学生例会时间,不管多忙,导师都要召集学生聚到一起讨论进展。钱森说,有一次小长假他偷懒没及时收心,导致实验没什么进展,在例会上他看到老师低着头、闭着眼睛,以为能蒙混过关,就把之前汇报过的研究结果又说了一遍。没想到,老师立马抬起头,严肃批评了他。

        “做基础科学的研究容不得半点马虎。”王贻芳曾说过,基础研究就像盖房子所需的砖头,虽然不知道某一块砖有什么用,但如果把这块砖抽掉,房子可能坍塌。

        做事严谨的王贻芳,如今正在为环形正负电子对撞机项目奔走。“关键技术的攻关,项目的选址,还有国际合作,都需要做完整、全面、彻底的论证,这也是我们现在正在做的事情。”按照王贻芳的规划,中国大型环形正负电子对撞机的建设时间是2022-2032年,而欧洲核子中心公布的是2030-2040年。

        学者当自树其帜。

        “到目前为止,在大科学装置上,我们做得更多的是填补空白和拾遗补缺的工作。”王贻芳认为,建超级对撞机,中欧前后相差了10年,这会是中国高能物理学一个能够领跑世界的机会,大家只有“背水一战”。