王贻芳：国内中微子研究从无到领跑

口述 | 王贻芳

采访、整理 | 王珊

来源 | 《三联生活周刊》改革开放四十年专刊

早些年，我们（国内）科研实力弱，选择跟在别人后面是对的选择，因为通过参加别人的项目，你就会知道前沿在哪里，能够掌握最先进的技术、方法、理论和科学内涵，但到了现在，只有做到领跑才是有意义的。

1984年5月，丁肇中先生来到了上海。丁先生当时已经凭借J粒子的发现获得诺贝尔物理学奖。他从1981年起在欧洲核子中心组织和领导了一个国际合作组——L3组，预计在1988年建成的高能正负电子对撞机LEP上进行高能物理实验。丁先生来上海的目的就是选拔中国学生去他所领导的小组进行高能物理方面的工作。

我当时还是个即将从物理系毕业的毛头小子。之前我接到了面试的通知，说可以报考丁先生的研究生。谁都不知道要考什么，就没有任何准备地去参加了英文笔试。通过了以后是丁先生的面试。丁先生和其他一些教授坐在一起，看起来红光满面，说起话来也中气十足，一点不像快50岁的人。他问我：“波在海水中传播，是长波传得远，还是短波传得远？”这个题目并不难，用大学物理的知识就能解决，主要考查一个人能否将书本中的知识应用到生活中去。他还问了一些量子力学和波粒二象性以及康普顿散射的问题，我都一一作答了。回答了三四个问题后，丁先生说：“我没有问题可问了。”我能感觉到他对我是满意的。

去欧洲核子中心对我来说，是人生的一个重要节点。20世纪80年代，国内的高能物理研究基础非常差。我刚本科毕业，完全没有科学研究的概念。欧洲核子中心是我科学研究工作的起点，那里有着世界上最好的加速器。我在那里学到很多做科学研究的基本方式方法和理念。比如说，如何选择课题？什么是值得做的课题？哪些是科学上最重要的问题？

丁先生是个非常有钻研精神的人，他会问你很多的“为什么”，逼着你去想一些很深入的问题，让你养成了很好的科学研究的习惯。L3实验组，会聚了14国30多所科研机构共400多名科学家，要做很多的沟通和协调工作。丁先生很善于做这些，他总是能在听取众多分歧意见之后，找到一条大家都认为是正确的道路。我从他这里学会了如何组织和协调大型科学实验，这些让我受益匪浅。

我在欧洲核子中心待了11年，主要参与正负电子对撞的研究，后期也参加了空间站实验AMS。有一天，我突然觉得做的事情有些按部就班，没有太多的挑战。我们身处这么大的一个实验组，每个人都被分配好了任务，就相当于机器里的一个螺丝钉，位置明确而固定。对于年轻人来说，起到的作用和影响更是有限的。那时，我甚至可以看到30年后的自己，依然守着这么一小块事情，别的事情都与你无关。

当时，中微子研究开始有一些热度。中微子是构成物质世界的12种基本粒子之一。宇宙大爆炸时，在第一秒钟内就产生了无数的中微子，它们携带了比光更早期的宇宙信息。但中微子几乎不跟任何物质发生作用，不容易被捕捉到，因此也成为人类迄今为止了解最少的一类基本粒子。它还有一个别称——“幽灵粒子”。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，这叫作中微子振荡，三种中微子之间可发生三种振荡。捕捉中微子的振荡模式，很有可能让我们知道，宇宙是如何被创造出来的，其中的结构是如何形成的，反物质到哪里去了等。这有可能打开新物理学的大门。

1996年，我加入斯坦福大学的中微子项目时，科学界对于中微子振荡是否存在尚有争议。当时，国际上已经有多个实验组在寻找中微子振荡，但实验结果都不一致，说法也不一。即使到1998年大气中微子振荡被发现，也有人认为这是数据出了问题，或者用另外的模型去解释。我觉得这个领域很有意思，值得去看一看。我是在1996年向丁先生请辞的，我到了美国斯坦福大学的一个研究中微子的项目。这个项目很小，只有20多人，但我是作为骨干人员参与的。在这里我什么都干，有时候甚至还要焊接电路板，充当木工，不过正是这些让我感受到了高能物理实验的各个方面。

我是2001年接到中国科学院高能所（以下简称“中科院高能所”）的邀请回国的。这一年，我们在斯坦福大学的中微子实验做完了，没有看到中微子振荡。我有些自己的想法。但坦率地说，在美国，像我这样的研究人员，多一个不多，少一个不少，按照我自己的思路做实验，更是没有可能。但国内已经不是我出国前的模样，对科技的投入增加了很多。在这之前一年，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，中国的高能物理研究开始进入一个新的发展阶段。

我觉得自己回国能做一些事情。但朋友和家人并不同意我的想法，他们说：“像你这样不会搞关系的人，出国多年，在国内也没有根基，回国是混不下去的。”我和太太僵持了一年，才获得了回国许可。回来后，我才发现，在国内推进中微子研究并没有想象中那么容易。起初，我们是想跟日本合作。他们的方案是建设一个新的加速器，将中微子打到中国来，中科院高能所再进行探测。这需要千万甚至上亿美元的投入，方案讨论了很久，我们觉得不太可能就放弃了。我也就投入北京正负电子对撞机的重大改造项目（BEPCII/BESIII）中去了。这是中科院高能所当时已经得到批准的一个项目。

2002年，来自加拿大和日本的两个实验采用了不同的探测方法，分别确认了太阳中微子振荡的存在，这时业界对于中微子振荡的认识也达到了一致。中微子的研究自此进入精细化阶段——寻找第三种振荡模式成为中微子研究的新热点。2003年，国际上开始热烈讨论利用反应堆中微子来测量中微子第三种振荡模式的混合角，而且国际上已经有好几个团队打算进行同类实验。我当时的第一反应是中微子研究将是一场竞争激烈的赛跑，最终看谁跑得快，精度高。我琢磨出了一个提高精度的方案，拿给我在斯坦福大学的实验室老板看，对方说：“我要是你的话，现在就赶紧回家偷偷做！”我倒是也想，但钱从哪里来？当时我估计至少需要1亿元人民币。

我的想法获得了国内外科学家的支持，也逐渐获得了相关部门的赞同。但在中国的科研体系里，这种1亿左右的项目没有支持渠道——科技部“国家重点基础研究发展计划”（即973）项目经费的上限是4000万元，科学院能给4000万元，基金委最多有1000万元，三者加起来还不到一个亿。我的朋友钱致榕教授（曾任香港科技大学创校副校长）给我提了一个建议，“去富裕的中国南方找钱”。我们一起去了深圳，深圳市副市长闫小培接待了我们，我们强调了探寻中微子的基础研究意义，陈述了这个项目如何好，如何在国际上领先，她让我们回去写个方案给她。

2005年，“十一五”规划出台，首次将研发经费占GDP的比例写进文件。新政策的出台，对我们的项目起到了推动作用。在中科院的支持下，原基础局局长张杰陪我们又去了一趟南方。这一次，获得了广东省、深圳市以及中国广东核电集团的资金和行动的支持。2006年我们就知道资金没有问题了。我们将探测实验室设在大亚湾核电站，这是一个非常理想的选择。大亚湾核电基地有6台百万千瓦的核电机组，是世界上最大的核反应堆群之一，为实验提供了较为丰富的中微子源。此外，大亚湾核电基地紧邻高山，可以屏蔽宇宙射线的干扰。

当时，国际上一共有8个类似的项目在起步，但到了2011年真正准备好投入探测的只有3个，中国、法国和韩国的项目。美国曾经有过两个方案，最终放弃的原因，一方面是钱有困难，另一方面是在核电站附近做这样的探测实验，需要大量的审批手续，无法及时启动。一个大科学装置的建设，耗费是巨大的，从准备到完成需要6到8年的时间，且需要各个层面的配合。它不同于其他的科学竞争，可以凭想法后来居上。事实上，启动的时间是一个关键点。如果一个研究点，不能和国际上的相关研究同时启动，就意味着失败的风险大大增加了。除非你相信你的设备做一年工作可以抵别人十年。

2012年3月，我们测得了中微子振荡的第三种模式。一定程度上来说，我们是幸运的，因为这个参数的值比较大，所以相对容易捕捉——在此之前，大家并不知道这个值可能是多少，甚至也许是0。这样描述我们的实验过程可能太轻松了。因为竞争确实是激烈的，我们的压力一方面来自项目组内部合作伙伴的竞争，另一方面来自国际同行间的竞争。大家的实验方向一样，探测方式也一样，那么要想赢得比赛，只能比认真和细节。做实验是经常会发生错误的。为了防止错误，我们在各自任务分工的基础上，每个人又负责检查另外一个人的任务。只有做到最好，才能在国际合作中有更多的话语权。

有人会问我，你们做这些研究有什么作用。我听多了也就不生气了。我觉得大家在基础研究上有过于功利的想法。包括物理学在内的基础研究是为了让我们认识自然界，如果我们不了解自然，就没有办法发展和利用它。换句话说，基础研究是社会发展的最根本动力。当然，这些是不能即刻带来经济效益的。它带来的更多是短时间不能见效的东西，包括科研水平的提高，即创新能力的提高、人才的培养、对技术的推动和发展等。

现在大家都在说我们的“卡脖子”问题，归根结底还是人才水平问题。这些都是需要基础研究来培养的。这一块是基础，不是说，你做个大攻关就能一下子解决问题的。我们国家善于集中力量办大事，所以我们能够看到某个领域突然冒头，但总体看来依旧是薄弱的。就像我所从事的高能物理领域，我们只是某个项目在国际上取得了领先的地位，但若要说整个高能物理，从规模和人员上，我们跟国际上还有差距。

【采访手记】王珊

王贻芳是那种你能想象出来的典型的科学家模样：严肃、谨慎、寡言。除了工作，他的话语中很少会涉及私人事务。有人曾打趣过他，让他多说点话，比获取实验数据还要难。同王贻芳交流会觉得有一点压力，但又觉得很放心。因为他们往往有另外一个优点：有话直说，不会有遮掩。

见到王贻芳是在他位于中科院高能所的办公室，他是个勤奋的人，早上8点上班，下午6点半下班，晚上回家再工作3个小时，每天的睡眠时间是6个小时。他在生活中也没有什么爱好，认识他十几年的学生也是偶然在一次集体出游中，才知道他爱打乒乓球。

2012年在大亚湾探得中微子的第三种振荡模式后，王贻芳又带着科研人员开始建设江门中微子实验项目。这是对中微子研究的继续延伸和提前布局。科学家希望能够通过江门中微子实验项目探究中微子的质量顺序，以更深层次地理解微观的粒子物理规律，进一步认识宇宙。

在做科研时，王贻芳一直强调前瞻性。他说，一个国家的科研界，如果不出重大成果，不仅证明这一代人是失职和无能的，也证明上一代的规划有问题。但重大成果的产出都需要很长时间，如果没有前瞻性，现在不开始策划，将来就不会有重大成果。2016年，美国的引力波LIGO实验发现引力波后，王贻芳专门写了一篇文章，他说，引力波的发现是人类认识自然的另一个里程碑。引力波的探测中，美国科学家做出了决定性贡献，欧洲科学家成绩斐然但运气不佳，日本和印度科学家都有一席之地，但中国的科学家参与度却不高。这是为什么呢？从1964年开始，国外科学家就相继开展引力波的探测实验，但国内在支持宇宙学研究上一直相对保守，加上经济发展以及科研投入不足的问题，使得中国的引力波探测从开始就掉了队。

王贻芳觉得，要想解决这个问题，必须推进大的科研项目的实施。他说，大项目不能保证百发百中，但风险不能成为不作为的理由。要想成为世界领先，要想获得重大科学成果，必须有新思想、新技术或新方法并将其落实为大项目。这也是他一直以来坚持要做大型对撞机的原因。2016年9月4日，著名物理学家杨振宁公开发文称“中国今天不宜建造超大对撞机”，杨振宁的理由是，大型对撞机造价大，可能是一个无底洞，中国目前仍然是一个发展中国家，还有亟待解决的民生问题，超大对撞机不是燃眉之急，目前不宜考虑，而且建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费等。

第二天，王贻芳就撰文以“中国今天应该建造大型对撞机”为标题对杨振宁进行了回应。他说，在下一个五年计划开建大型对撞机，是中国在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇，这个机遇期的时间窗口只有10年，失去这个机会，下一次就不知道是什么时候了。而且，中国的经济仍处于高速发展期，也处于转型期，有建设能力和科学需求。因此大型对撞机是一个各方面都合适的项目。“早些年，我们实力弱，选择跟在别人后面是对的选择，因为通过参加别人的项目，你就会知道前沿在哪里，能够掌握最先进的技术、方法、理论和科学内涵，但到了现在，只有做到领跑才是有意义的。”王贻芳说。