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王贻芳:捕捉“幽灵粒子”,让中国高能物理走上世界舞台

就在阅读这行字的时候,数以万亿计的中微子正以近乎光速穿过你的身体。

虽然神话告诉我们,光是万物的起源,然而这种基本粒子却携带着比光更早期的宇宙信息。它们诞生于大爆炸的第一秒,穿梭在浩渺的宇宙中,由于几乎不跟宏观世界发生作用,所以也被称为“幽灵粒子”。而王贻芳,就是那个捕捉“幽灵粒子”、精确测量其参数的“科学狂人”。

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王贻芳身上有很多标签:他是著名物理学家丁肇中的学生,也是敢于叫板杨振宁的“硬汉子”;是高冷、低调、沉默寡言的学者,也是常年活跃在高能物理学界的学术巨星。可他的志向却远不止于此,未来,他希望全球科研界的眼光都能聚焦中国,看到中国的巨大能量。

师承丁肇中:天赋与勤奋并存的“开挂”少年

1984年,从南京大学原子核物理专业毕业的王贻芳收到通知——诺贝尔物理学奖得主丁肇中准备挑选一批优秀的中国学生前往欧洲参与由他主持的L3实验。这是一个在日内瓦进行的超大规模实验,研究方向是宇宙的构造之谜。在那里,有当时世界上最大的粒子加速器。

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日内瓦的欧洲大型强子对撞机及配套科研设施

用王贻芳的话来说,当时他还只是个“即将毕业的毛头小子”,没做任何准备就去参加了选拔。但面对丁肇中的提问,他却对答如流,展现出卓绝的物理天赋,顺利地通过了考核。

成为丁肇中的学生后,王贻芳来到日内瓦的L3实验室,并进一步崭露头角。一年内,他发表了3篇论文,并且出任“新粒子寻找组”组长,是所有物理分析组长中唯一的在读学生。但在这些成绩背后,是国际实验室里400多位优秀学者的激烈竞争,很多工作都是“谁做得快结果就用谁的,做得慢就是白做”。王贻芳清楚地记得,那段日子他几乎每天早上9:00到实验室,晚上12:00左右离开,一周差不多要工作90个小时,只有周日可能会休息半天。

王贻芳回忆说,这段学习经历令他获益匪浅,不仅是他科研工作的起点,也让他了解到科学研究的基本方法和理念,形成了良好的科研习惯,为日后从事高能物理学研究打下了扎实的基础。

蛰伏大亚湾:中国最重要的物理学成果

来到欧洲十一年后,王贻芳敏锐地觉察到高能物理学界的新风向:中微子研究的热度不断攀升。被称为“幽灵粒子”的中微子具有一种特殊的性质——它可以在飞行中变为另一种类型,然后再复原,好像在“振荡”一般。王贻芳判断,研究中微子的振荡模式,可能有助于进一步揭开宇宙起源之谜。因此,在历经纠结后,他决心请辞恩师丁肇中,前往美国麻省理工大学和斯坦福大学继续从事相关研究。

然而,当时的学界对于“中微子振荡是否存在”尚有争议,王贻芳在斯坦福参与的中微子实验也并无新的进展。而充满雄心的他,却不甘心停滞于此。2001年,基于对国内高能物理学的信心,他接受中科院高能所的邀请,回国开启了全新的征程。

事实证明了他的预判。2002年,来自加拿大和日本的两个实验组采用不同的探测方法,分别确认了太阳中微子振荡的两种存在模式。由此,寻找第三种振荡模式成为研究热点,来自美国、法国、日本、韩国等国的多个研究团队都展开了探索。

王贻芳当机立断——要把握这次难得的机会。他四处奔走,为项目争取到了充分的经费支持,在广东的大亚湾核电站附近开始建设探测实验室。与昂贵的加速器相比,核反应堆能够提供源源不断且数量丰富的中微子,极大的节省了成本。但是,建设实验室需要对岩石进行爆破,所造成的震动一旦危及反应堆,就很可能酿成核泄漏事故,其后果不堪设想。

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广东大亚湾核电站的两个中微子探测器

高要求的爆破严重影响了大亚湾实验室的建设进度,与此同时,别的实验团队也在进行中微子探测,这给王贻芳的团队带来了无形的压力,如何能够尽早获取数据成为了关键问题。

这场激烈的国际竞争赛中,王贻芳和大亚湾团队一直在“抢”着做事情。中微子项目立项前,他们“抢”项目的主导权;土建安装中,他们“抢”先完成的时间;探测过程中,他们“抢”观测的精准度。2012年3月8日,历时十年、花费2.5亿元人民币的大亚湾中微子实验终于取得了突破——王贻芳团队宣布发现了中微子的第三种振荡模式,并精确地测量到了其振荡机率。这场漫长的捉迷藏游戏结束了。

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王贻芳在大亚湾中微子实验站

中微子的“小振荡”带来了国际物理学界的“大震撼”——美国《科学》杂志将之列入2012年全球十大科学突破,王贻芳和他的团队获得了累累殊荣,其中包括被称为科学界“第一巨奖”的基础物理学突破奖。这一重大发现被誉为“中国本土迄今为止最重要的物理学成果”,也使中国的高能物理研究走上了世界前列。就在前不久,王贻芳又捧获2019年未来科学大奖“物质科学奖”。正如王贻芳所指出的那样:“大亚湾实验前中国是在追赶外国人,大亚湾实验时是与外国人并行,现在是超越外国人。”

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王贻芳被授予“2019未来科学大奖”

力挺对撞机:勇气源自信仰

大亚湾中微子实验的成功,让王贻芳有了更加大胆的想法,将建设一个十倍于大亚湾的超级实验室的设想列入了计划。

从2012年开始,王贻芳一再提议在中国建造超大对撞机。他预言,超大对撞机的建造将使中国高能物理研究走到世界前列,未来半个世纪内必将产生极具价值的科研成果。“包括美国、日本、欧洲在内的很多国家都想建超大对撞机……而我们国家正好有这个体制优势。”王贻芳认为,中国当前的体制具有“集中力量办大事”的优势,能为我们带来一次弯道超车的机会。

王贻芳一再强调加大基础研究投入的必要性。2016年,美国科学家发现引力波后,王贻芳在《人民日报》上发表了评论称,中国在引力波探测上掉队的原因,是国内整体上对科研的投入不足,“要想成为世界领先,要想获得重大科学成果,必须要有新思想、新技术或新方法并将其落实为大项目”。

然而,并不是所有人都认可王贻芳的观点。设立一个预计花费上千亿人民币的项目“对于一个二级学科是否投资过大”,是很多人对建立超大对撞机存有的疑问,其中包括物理学界泰斗、诺贝尔奖得主杨振宁先生。尽管对于这一问题,聚讼纷纭,至今尚无定论,但王贻芳认为:“没有一个人会把自己的生命浪费在一件他认为会注定失败的事情上面……你如果坚信自己是对的,就会有力量。”

如今的王贻芳依然是那个低调、硬核的“科学狂人”。“低调”背后是他对高能物理学的倾力投入,以及对未知的好奇、热情。性格中“硬核”的那一面,则让王贻芳执着于自己的科学信仰,带领中国高能物理稳稳地走出了一条突破之路。

2019腾讯科学WE大会,带你走近王贻芳和他所坚持的科学信仰,并与更多人一起期待中国高能物理的未来。

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