王貽芳：中微子、光電倍增管和物理學(xué)基礎(chǔ)研究
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王貽芳院士的演講題目是《中微子、光電倍增管和物理學(xué)基礎(chǔ)研究》。他為我們分享了大亞灣實(shí)驗(yàn)關(guān)于中微子振蕩的研究，并介紹了在建的江門(mén)實(shí)驗(yàn)室及其突破——中國(guó)科學(xué)家與科技企業(yè)通力合作，終于制造出高質(zhì)量且高性?xún)r(jià)比的光電倍增管。他認(rèn)為，大型科學(xué)設(shè)施是技術(shù)發(fā)展最好的觸發(fā)器和推動(dòng)器，科學(xué)家與工程師合作能夠大力推動(dòng)技術(shù)發(fā)展。
以下為演講全文：
大家下午好！
我想和大家談一談中微子、光電倍增管和基礎(chǔ)科學(xué)研究。
中微子在我們周?chē)鸁o(wú)處不在，從宇宙大爆炸到我們身處的地球、我們附近的太陽(yáng)等，都有中微子。其實(shí)，我們每一個(gè)人的身體也是中微子源——我們每個(gè)人每天會(huì)發(fā)射出三億四千萬(wàn)個(gè)中微子。
中微子在整個(gè)物理學(xué)當(dāng)中起著非常重要的作用。在構(gòu)成物質(zhì)世界的12個(gè)最基本的粒子當(dāng)中，中微子占了其中的三種，所以說(shuō)中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的單元，我們需要把它研究清楚。但是非常不幸，我們對(duì)中微子的了解非常少。到現(xiàn)在為止，我們甚至連中微子質(zhì)量到底是多少都不清楚，但是我們知道中微子有一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量。
中微子數(shù)量非常多，在整個(gè)宇宙當(dāng)中大約每立方厘米有300個(gè)，所以中微子如果有一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量，它對(duì)我們整個(gè)宇宙的起源、演化，以及宇宙大結(jié)構(gòu)的形成都會(huì)起非常重要的作用。我們整個(gè)的宇宙當(dāng)中，在大爆炸的早期它是非常均勻的，能夠有一點(diǎn)點(diǎn)所謂的質(zhì)量密度漲落，才能形成宇宙大的結(jié)構(gòu)。宇宙大的結(jié)構(gòu)形成以后，才會(huì)有銀河系、太陽(yáng)、地球，以及在座的各位。所以在座的各位能否存在，跟中微子質(zhì)量到底是多少非常有關(guān)系。實(shí)際上，如果中微子質(zhì)量為零，這個(gè)世界上、這個(gè)宇宙里面，不會(huì)有一個(gè)有密度漲落的結(jié)構(gòu)，如果沒(méi)有這樣的一個(gè)結(jié)構(gòu)，自然銀河系和在座的各位就不會(huì)存在。
中微子是1930年由著名科學(xué)家泡利提出來(lái)的，它是為了解決在微觀世界的能量和動(dòng)量不守恒的問(wèn)題。由于我們?cè)趯?shí)驗(yàn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)能量和動(dòng)量不守恒，泡利就解釋說(shuō)因?yàn)橛兄形⒆舆@種基本無(wú)法探測(cè)的粒子，使得最后你看到的好像是不守恒，但其實(shí)它是守恒的。
過(guò)了26年，1956年，我們真正在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子，發(fā)現(xiàn)者因此得到了諾貝爾獎(jiǎng)。1962年的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)不只有一種中微子，還有兩種中微子。在1958年的時(shí)候，在第二種中微子發(fā)現(xiàn)之前，有一位科學(xué)家提出說(shuō)中微子和反中微子可以發(fā)生振蕩，從一種中微子變成另外一種中微子。有兩種中微子以后，大家修正了這個(gè)想法，就是電子中微子和繆子中微子也可以發(fā)生振蕩。
又過(guò)了40年，1998年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在大氣中微子當(dāng)中，可以有中微子的振蕩，這就是非常著名的日本超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)。到了2002年的時(shí)候，加拿大的SNO實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子也可以振蕩。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)由于發(fā)現(xiàn)中微子振蕩而得到了諾貝爾獎(jiǎng)。到了2002年的時(shí)候，我們看到有兩種中微子振蕩。
從物理上來(lái)說(shuō)，三種中微子應(yīng)該是有三種振蕩，所以當(dāng)時(shí)的問(wèn)題就是尋找另外一個(gè)中微子振蕩模式，我們把它叫做θ13。從物理上來(lái)說(shuō)，其實(shí)有很多所謂的對(duì)稱(chēng)性的希望，所以說(shuō)這個(gè)θ13也是可以為零的。我們作為物理學(xué)家，就希望知道到底是真的為零，還是不為零。于是，我們?cè)?003年提出實(shí)驗(yàn)，到2012年得到了結(jié)果。結(jié)果告訴我們中微子真的是有第三種振蕩模式，這個(gè)振蕩不為零。
我們目前正在推動(dòng)的一個(gè)新實(shí)驗(yàn)叫江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)。江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)是我們?cè)?008年大亞灣實(shí)驗(yàn)完成之前就提出來(lái)的，它是為了研究中微子的質(zhì)量順序，精確測(cè)量中微子的振蕩參數(shù)，研究天體中微子比如說(shuō)超新星中微子、太陽(yáng)中微子、地球中微子等。同時(shí)，我們也希望尋找一種全新的衰變叫無(wú)中微子雙β衰變，確定反中微子到底是中微子自己本身，還是中微子、反中微子是不一樣的粒子。
這在粒子物理學(xué)當(dāng)中是一個(gè)非常重要的研究目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們需要建設(shè)一個(gè)大探測(cè)器，需要2萬(wàn)噸的液體閃爍體。我們剛才介紹的大亞灣實(shí)驗(yàn)里面的液體閃爍體只有20噸，所以這里面差了將近1000倍。2萬(wàn)噸的探測(cè)器比目前世界上最大的液體閃爍探測(cè)器還要大20倍——日本實(shí)驗(yàn)是1000噸，我們是20000噸。
同時(shí)，需要把探測(cè)器的光收集提高5倍，這比過(guò)去有個(gè)巨大的提高。為此，我們要把探測(cè)器液體的透明度提高差不多將近2倍。還有一個(gè)非常重要的技術(shù)要求就是要把我們探測(cè)光子的設(shè)備，叫光電倍增管，它的探測(cè)效率要提高2倍，和過(guò)去超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)獲得的日本濱松公司生產(chǎn)的光電倍增管的效率相比，提高2倍。
所有的技術(shù)要求加起來(lái)產(chǎn)生一個(gè)巨大的問(wèn)題是，我們能不能做，或者世界上是不是真的有人能夠做這個(gè)事情。事實(shí)上，在我們提出這個(gè)方案的時(shí)候，國(guó)際上有很多懷疑，認(rèn)為這樣的實(shí)驗(yàn)做不出來(lái)?；仡櫼幌逻@樣類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，成功因素主要是什么呢？
雖然設(shè)計(jì)思想、方案執(zhí)行、國(guó)際合作等因素都很重要，但是我們認(rèn)為突破關(guān)鍵技術(shù)的能力在所有因素當(dāng)中應(yīng)該是最重要的。關(guān)鍵技術(shù)需要長(zhǎng)期的積累，并不是你想做就一定能夠做出來(lái)，所以發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)、積累關(guān)鍵技術(shù)在基礎(chǔ)研究中起了一個(gè)非常核心關(guān)鍵的作用。那我們看看大亞灣實(shí)驗(yàn)有哪些關(guān)鍵技術(shù)。
第一個(gè)是液體閃爍體。當(dāng)時(shí)國(guó)際上有很多類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，之前的失敗很多，所以發(fā)展出自己的液體閃爍體技術(shù)是我們大亞灣實(shí)驗(yàn)最重要的要求。非常幸運(yùn)我們當(dāng)時(shí)做成了。
第二個(gè)是光電倍增管。當(dāng)時(shí)我們是從日本濱松公司買(mǎi)的，買(mǎi)了大概2000多個(gè)，所以在江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們自然還是要問(wèn)這個(gè)問(wèn)題：這些關(guān)鍵技術(shù)我們到底有還是沒(méi)有？
第一個(gè)液體閃爍體，因?yàn)槲覀冇辛诉^(guò)去大亞灣實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，所以我們認(rèn)為應(yīng)該是沒(méi)有問(wèn)題的；第二個(gè)光電倍增管，如果你從濱松公司買(mǎi)的話(huà)指標(biāo)差2倍, 不夠。價(jià)錢(qián)也是我們不能承受的，大概是我們能夠承受價(jià)格的2倍以上。所以我們覺(jué)得這個(gè)實(shí)驗(yàn)要想成功的話(huà)，一個(gè)核心關(guān)鍵問(wèn)題就是要自己發(fā)展光電倍增管。
光電倍增管就是把我們看到的光子轉(zhuǎn)換成電子，再把電子放大，差不多10的7次方倍。這種設(shè)備實(shí)際上是在（上世紀(jì)）30年代發(fā)展出來(lái)的，它被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、核研究、空間科學(xué)方面。在（上世紀(jì)）60年代的時(shí)候，中國(guó)當(dāng)時(shí)有兩個(gè)工廠能夠生產(chǎn)光電倍增管，但是非常可惜，到（上世紀(jì)）90年代的時(shí)候，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)大潮當(dāng)中，它們都失去了競(jìng)爭(zhēng)力。
當(dāng)時(shí)，中國(guó)生產(chǎn)5吋以上的光電倍增管的能力應(yīng)該是完全沒(méi)有的。日本的濱松公司也是五六十年代開(kāi)始建立的，和中國(guó)生產(chǎn)光電倍增管的工廠幾乎同時(shí)起步。到80年代的時(shí)候，他們發(fā)明了一種新的光電倍增管，是20吋的光電倍增管。這個(gè)光電倍增管引領(lǐng)了整個(gè)光電倍增管技術(shù)的潮流，使得日本濱松公司成為世界上最好的光電倍增管生產(chǎn)企業(yè)。
20吋的光電倍增管成功研制并有效使用，實(shí)際上也是日本的神岡和超級(jí)神岡兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的最核心、最關(guān)鍵的成功因素。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別獲得2002年、2015年的諾貝爾獎(jiǎng)。下圖這位抱著光電倍增管的就是日本的小柴昌俊，他獲得了2002年諾貝爾獎(jiǎng)。正是在他的推動(dòng)下，20吋的光電倍增管在日本發(fā)展起來(lái)了。
所以對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，我們是不是真的能夠在中國(guó)發(fā)展出全新的20吋光電倍增管呢？實(shí)際上在這個(gè)研究領(lǐng)域，很多人都非常希望發(fā)展全新的光電倍增管，特別是提高它的探測(cè)效率。這里面有一些例子，應(yīng)該說(shuō)一直到2010年，我們準(zhǔn)備開(kāi)始這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，幾乎是沒(méi)有成功的。我們當(dāng)時(shí)提出了一個(gè)全新的技術(shù)方案，采用一種所謂的微通道板，來(lái)代替一般光電倍增管當(dāng)中用的電子放大器件，通過(guò)這個(gè)技術(shù)我們可以提高光的探測(cè)效率。我們第一次找了一家研究所，應(yīng)該說(shuō)過(guò)了3年時(shí)間，我們這個(gè)探索完全失敗，做出來(lái)的管子沒(méi)有達(dá)到要求。
我們后來(lái)找了另外一家企業(yè)，叫做北方夜視技術(shù)股份有限公司，這家企業(yè)技術(shù)能力其實(shí)當(dāng)時(shí)并不是特別強(qiáng)，但是它有意愿做這件事情，我覺(jué)得這個(gè)非常非常重要。這不在于你前面有多少技術(shù)，有幾個(gè)科研人員，核心在于你是不是真的下決心愿意做一件前人沒(méi)有做過(guò)的事情。所以我們組成了合作組，建立了全新的合作模式，制定了章程，并預(yù)先討論了未來(lái)的收益分配方式。通過(guò)這個(gè)，我們避免了所謂的后來(lái)可能的一些爭(zhēng)議。同時(shí)，在整個(gè)項(xiàng)目管理當(dāng)中，我們有每周、每月的會(huì)議。
經(jīng)過(guò)各種各樣的失敗以后，最終我們獲得了成功。上面這張照片都是我們做廢掉的光電倍增管，都是“尸體”。經(jīng)過(guò)4年的努力，從我們一開(kāi)始準(zhǔn)備，經(jīng)過(guò)了8年的努力，得到了全新的、非常好的、達(dá)到要求的樣管。
在這時(shí)候我們有一個(gè)問(wèn)題，達(dá)到要求的樣管對(duì)這個(gè)企業(yè)來(lái)說(shuō)也只是樣管而已，它有沒(méi)有能力做批量生產(chǎn)，能不能把我們需要的兩萬(wàn)個(gè)20吋的光電倍增管都做出來(lái)？所以我們當(dāng)時(shí)做了一個(gè)非常艱難的決定，我們從南京的北方夜視購(gòu)買(mǎi)了15000個(gè)，從日本的濱松也購(gòu)買(mǎi)了5000個(gè)，這樣的話(huà)我們?cè)趦r(jià)格、性能、風(fēng)險(xiǎn)的各個(gè)方面能做到平衡。通過(guò)這樣的競(jìng)爭(zhēng)，我們得到了最好的光電倍增管，我們也得到了非常好的價(jià)格。如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，大概不會(huì)有我們最終的這個(gè)結(jié)果，我們15000個(gè)光電倍增管差不多將近是3億人民幣的產(chǎn)值，最終的效果非常好。到目前為止，我們獲得了1萬(wàn)多個(gè)滿(mǎn)足要求的光電倍增管。
北方夜視也得到不斷地發(fā)展，它現(xiàn)在在給其它的實(shí)驗(yàn)提供光電倍增管，同時(shí)也在給空間和核探測(cè)的應(yīng)用方面提供微通道板和光電倍增管。最近它建設(shè)了一個(gè)很大的研究中心來(lái)研究新的光電倍增管，用于醫(yī)療儀器設(shè)備和工業(yè)應(yīng)用方面的特殊類(lèi)型的光電倍增管。北方夜視從原來(lái)純粹的生產(chǎn)微通道板的一個(gè)企業(yè)，發(fā)展成為一個(gè)具有很好研發(fā)能力的一個(gè)高科技公司。所以，跟我們的科學(xué)家合作，他們學(xué)會(huì)了如何做前人從來(lái)沒(méi)有做過(guò)的事情，這是一個(gè)科學(xué)家和工程師在專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練方面的本質(zhì)差異。這兩者的結(jié)合應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)最理想的技術(shù)發(fā)展的模式之一。
在我們江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)以后，我們其實(shí)面臨另外一個(gè)問(wèn)題：我們的高能物理是不是能夠站在世界舞臺(tái)的中央，也就是你是不是在研究、探討、解決粒子物理當(dāng)中最核心、最根本的問(wèn)題。我們粒子物理現(xiàn)在的核心問(wèn)題在哪里呢？我們其實(shí)面臨了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在我們已經(jīng)完成了粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立，所有的粒子都被發(fā)現(xiàn)了之后，下一步該往哪兒走。從很多跡象看，我們需要一個(gè)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的一個(gè)新物理體系。到底哪一個(gè)是對(duì)的？我們的理論應(yīng)該向哪個(gè)方面發(fā)展？我們的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該采用什么樣的方式？這個(gè)是我們面臨的重大問(wèn)題。
所以我們提出了我們的想法——未來(lái)發(fā)展最理想的選擇是建設(shè)一個(gè)大型的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC），它能產(chǎn)生100萬(wàn)個(gè)希格斯粒子。這個(gè)想法得到國(guó)際上很好的認(rèn)可，成為未來(lái)發(fā)展的首選。
對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)理想選擇，是能夠引領(lǐng)世界基礎(chǔ)物理研究最好的機(jī)會(huì)——
第一，希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一個(gè)最重要的窗口。
第二，希格斯粒子質(zhì)量不是特別重，環(huán)形對(duì)撞機(jī)是一個(gè)理想的希格斯粒子工廠。相對(duì)于直線對(duì)撞機(jī)來(lái)說(shuō)，這是效率更高的一種設(shè)計(jì)。
第三，國(guó)際上我們很多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手（歐洲、美國(guó)、日本），他們的手上都有其它正在進(jìn)行的項(xiàng)目，暫時(shí)騰不出手來(lái)做環(huán)形希格斯粒子工廠。
第四，環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)正好是我們會(huì)做的，我們有30年的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。
同時(shí)，就像我們剛剛說(shuō)的，這樣一個(gè)裝置也會(huì)在技術(shù)上給我們帶來(lái)很多機(jī)會(huì)——
第一，會(huì)推動(dòng)我們國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的一些技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，這里包括了精密機(jī)械、高真空、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等等。
第二，會(huì)使國(guó)內(nèi)現(xiàn)在空白的一些關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，比如說(shuō)大功率的微波器件、大型的低溫制冷設(shè)備、超導(dǎo)磁鐵、專(zhuān)用集成電路等。這些方面，我們國(guó)內(nèi)要么是空白，要么是在國(guó)際上基本沒(méi)有影響力。我們希望我們自己的大型科學(xué)裝置，成為國(guó)產(chǎn)設(shè)備的第一個(gè)用戶(hù)，來(lái)給它一個(gè)機(jī)會(huì)，讓它成長(zhǎng)成為國(guó)際領(lǐng)先的企業(yè)。
第三，有可能發(fā)展出一些革命性的全新的技術(shù)。比如說(shuō)高溫超導(dǎo)到目前為止還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，主要還是因?yàn)樾詢(xún)r(jià)比不夠。我們需要有一個(gè)全新的引領(lǐng)，把這個(gè)技術(shù)發(fā)展起來(lái)，使它在最后能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，能夠走入千家萬(wàn)戶(hù)。還有一個(gè)是等離子體加速，我們現(xiàn)在的加速器一般都是用磁鐵、微波，如果用等離子體加速技術(shù)，會(huì)使得我們未來(lái)的加速器更小、更便宜。國(guó)際上離子體加速器還沒(méi)有真正的應(yīng)用，我們希望第一個(gè)把等離子體加速器給用上。
在CEPC的發(fā)展當(dāng)中一定會(huì)有很多像剛才介紹的光電倍增管一樣的成功案例。事實(shí)上，我們和工業(yè)界的合作已經(jīng)開(kāi)始了。我們的CEPC產(chǎn)業(yè)促進(jìn)會(huì)目前有將近70家企業(yè)，我們合作開(kāi)發(fā)各種各樣的技術(shù)、發(fā)展各種各樣的新手段和能力。
最后總結(jié)一下，我們從剛才的介紹中學(xué)到了什么？
首先，我們可以做世界上最好的科學(xué)。
其次，世界上最好的科學(xué)可以產(chǎn)生最好的技術(shù)。大型的科學(xué)設(shè)施實(shí)際上是我們技術(shù)發(fā)展的最好觸發(fā)和推動(dòng)力，我們的科學(xué)家如果能夠和工程師工作在一起，可以使技術(shù)能力大大加強(qiáng)和發(fā)展。
第三，國(guó)內(nèi)的需求是我們高科技企業(yè)發(fā)展所需要的最重要的初始推動(dòng)力。沒(méi)有這個(gè)第一步，很多高科技企業(yè)是沒(méi)有機(jī)會(huì)的。
我們希望能夠得到大家的支持，產(chǎn)生更多國(guó)內(nèi)的需求，在國(guó)內(nèi)做更多最好的科學(xué)，推動(dòng)我們的技術(shù)發(fā)展。
謝謝大家！
注：本文轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)“騰訊科學(xué)WE大會(huì)”。
