【編者按】本文作者胡舟，文章來自知社學(xué)術(shù)圈。如你也是學(xué)術(shù)圈內(nèi)人士，或者對(duì)科學(xué)領(lǐng)域有專研興趣，也可進(jìn)入知社學(xué)術(shù)圈公號(hào)查看。

北京時(shí)間11月9日上午，2016年國(guó)際“突破獎(jiǎng)”（The Breakthrough Prize) 頒獎(jiǎng)儀式在美國(guó)加州圣何塞舉行。著名物理學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳作為大亞灣中微子項(xiàng)目的首席科學(xué)家獲得"基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎(jiǎng)"（Fundamental Physics Breakthrough Prize），分享高達(dá)300萬美元的獎(jiǎng)金。這是中國(guó)科學(xué)家首次獲得這一殊榮。傅亮和祁曉亮同時(shí)榮獲基礎(chǔ)物理新視野獎(jiǎng)，中國(guó)物理學(xué)呈井噴之勢(shì)。

文末還有關(guān)于頒獎(jiǎng)慶典視頻和關(guān)于中微子的高冷奇葩笑話視頻。

國(guó)際突破獎(jiǎng)到底是怎么回事？看看這個(gè)2016年"科學(xué)突破獎(jiǎng)"基礎(chǔ)物理學(xué)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目介紹視頻：

近年來，國(guó)際中微子研究競(jìng)爭(zhēng)激烈，王貽芳團(tuán)隊(duì)?wèi){借什么成就摘得這一桂冠？他是如何據(jù)理力爭(zhēng)，保住了中國(guó)在國(guó)際合作中的主動(dòng)權(quán)？ 中微子是否會(huì)繼續(xù)諾獎(jiǎng)輝煌？讓我們走近王貽芳，走近大亞灣，走近中微子。

“突破獎(jiǎng)”由俄羅斯科技界投資人尤里?米爾納（Yuri Milner）成立于2012年，最初用于表彰在物理領(lǐng)域的突破性研究。米爾納希望該獎(jiǎng)項(xiàng)可以“建立科學(xué)和理性主義的正面形象，并引導(dǎo)人們對(duì)科技的未來保持樂觀態(tài)度”，并且提升科學(xué)家在公眾視線里的地位。后來獎(jiǎng)項(xiàng)也擴(kuò)大到生命科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域。

突破獎(jiǎng)吸引了眾多的科技富豪贊助，除尤里?米爾納夫婦外，還有Facebook的扎克伯格夫婦、阿里巴巴的馬云夫婦以及谷歌聯(lián)合創(chuàng)辦人Sergey Brin及夫人。11月9號(hào)頒發(fā)的2016年突破獎(jiǎng)總獎(jiǎng)金高達(dá)2190萬美元，單項(xiàng)獎(jiǎng)金高達(dá)300萬美元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過諾貝爾獎(jiǎng)金額。歷屆獲獎(jiǎng)?wù)咭踩盒菭N爛，如華人天才數(shù)學(xué)家陶哲軒。

突破獎(jiǎng)還設(shè)立了表彰有潛力的年輕科研人員的物理新視野獎(jiǎng)。今年獲獎(jiǎng)的就有麻省理工學(xué)院的傅亮教授和斯坦福大學(xué)的祁曉亮教授，表彰他們?cè)谀蹜B(tài)物理學(xué)方面做出的貢獻(xiàn)，特別是運(yùn)用拓?fù)溲芯啃碌奈飸B(tài)。傅亮是1985年出生的80后，中國(guó)科技大學(xué)少年班2004年畢業(yè)，2009年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)獲得物理博士學(xué)位，曾在哈佛大學(xué)做博士后，2012年1月成為MIT的助理教授。祁曉亮1983年出生于遼寧康平，1999年年僅16歲以遼寧理科狀元身份考入清華大學(xué)物理系，本科畢業(yè)后師從清華大學(xué)高等研究中心翁征宇教授攻讀博士學(xué)位。2006年底前往斯坦福大學(xué)跟隨張首晟做博后,目前是斯坦福大學(xué)的副教授。

（祁曉亮與楊振寧、張首晟合影）

王貽芳與大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)

下面，讓我們回到主題，走近基礎(chǔ)物理突破的王貽芳。

1984年，王貽芳從南京大學(xué)物理系原子核物理專業(yè)畢業(yè)，同年為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中選中，遠(yuǎn)赴歐洲核子研究中心參加其領(lǐng)導(dǎo)的L3實(shí)驗(yàn)。1992年，王貽芳獲得意大利佛羅倫薩大學(xué)博士學(xué)位后，到美國(guó)麻省理工學(xué)院工作，1996年加入美國(guó)斯坦福大學(xué)的一個(gè)中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并成為其中的骨干人員。王貽芳在國(guó)外工作17年間，先后參加了L3、AMS、PaloVerde和KamLAND等國(guó)際粒子物理最前沿的實(shí)驗(yàn)。2001年，作為中國(guó)科學(xué)院“引進(jìn)國(guó)外杰出人才”，他心懷夢(mèng)想來到高能物理研究所工作?；貒?guó)后的短短十年間，他領(lǐng)導(dǎo)了國(guó)內(nèi)兩個(gè)最大的粒子物理實(shí)驗(yàn) - 北京譜儀III實(shí)驗(yàn)和大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)，將中國(guó)粒子物理研究推向了前所未有的新高度。

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)是中國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域目前最大的國(guó)際合作項(xiàng)目，由中國(guó)、美國(guó)領(lǐng)導(dǎo)和俄羅斯、捷克及中國(guó)香港與中國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家共同參與。其2006年立項(xiàng)，2007年10月動(dòng)工，2011年年中逐步完成探測(cè)器的建造與安裝，同年8月開始近點(diǎn)取數(shù)、12月下旬開始遠(yuǎn)近點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行。整個(gè)實(shí)驗(yàn)建有總長(zhǎng)3公里的隧道和3個(gè)地下實(shí)驗(yàn)大廳，3個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳共放置8臺(tái)中微子探測(cè)器，每臺(tái)探測(cè)器高5米、直徑5米、重110噸，均置于10米深的水池中。

2012年3月，在北京的中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，王貽芳與緊張展開著戰(zhàn)斗?？倲?shù)接近300人的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過55天不眠不休的不斷摸索之后收集到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。在帶著祈禱進(jìn)行分析時(shí)，計(jì)算公式顯示出可靠的趨勢(shì)——以99.9999％以上的精度確定了“第三種中微子振蕩”。

作為基本粒子，中微子是構(gòu)成物質(zhì)的最小單位之一。在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域，這是全世界研究人員等都在競(jìng)相獲取成果的最尖端研究主題。在日本，東京大學(xué)特別榮譽(yù)教授小柴昌俊以此榮獲諾貝爾獎(jiǎng)，并由此廣為人知。王貽芳等人發(fā)現(xiàn)的是在這些中微子研究中被視為“最后的未知數(shù)”的物理現(xiàn)象。

（構(gòu)成物質(zhì)世界的12種最基本粒子，其中3種為中微子）

然而早在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之初，整個(gè)工程估算下來至少需要1.5億元。王貽芳拿出自己的“百人計(jì)劃”人才基金，加上高能所特批的幾十萬元也只有百萬元，相比億元只是杯水車薪。沒辦法，他只好一個(gè)一個(gè)“找支持”，最終，包括科技部在內(nèi)的6家單位共同出資1.57億元。

盡管“第三種振蕩”變化非常小，甚至被視為“或許并不存在”，但王貽芳充滿信心：“因?yàn)楹献髡吆芏啵覍?shí)驗(yàn)設(shè)備精良！”不過，大亞灣中微子項(xiàng)目的主要合作方中國(guó)、美國(guó)卻在實(shí)驗(yàn)方案上出現(xiàn)了分歧：若按照美國(guó)的方案走，可以爭(zhēng)取到國(guó)際合作，但中方的貢獻(xiàn)和地位就有限；反之，可能就沒有國(guó)際合作，項(xiàng)目可能根本無法在國(guó)內(nèi)立項(xiàng)。王貽芳在最關(guān)鍵的時(shí)刻頂住了壓力，單刀赴會(huì)，舌戰(zhàn)群儒，“我堅(jiān)信我的方案最正確。而且中國(guó)要花這么多錢，如果把方案讓給你們，這種事情絕對(duì)不能做！”雖然這次碰撞并不算愉快，但從結(jié)果上看，王貽芳為中國(guó)保住了中微子實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)權(quán)。

其實(shí)，所有的努力或許都來自王貽芳對(duì)物理學(xué)的熱愛與執(zhí)著?！耙獑栄芯恐形⒆邮欠衲茏屛覀兊纳罡篮茫耆珱]有這種作用。但是，我希望加深對(duì)這個(gè)宇宙和世界的理解?！?/p>

利用反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)測(cè)量θ13

當(dāng)時(shí)國(guó)際中微子物理實(shí)驗(yàn)的前沿是精確測(cè)量中微子混合參數(shù)θ13。其重要性體現(xiàn)在θ13是中微子物理中兩個(gè)最基本的未知參數(shù)之一，其數(shù)值的大小決定了未來中微子物理研究的發(fā)展方向。如果sin22θ13大于0.01左右，則中微子的CP相角可以測(cè)量，宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)的不對(duì)稱可能得以解釋。如果它太小，則中微子的CP相角極難測(cè)量，用中微子來解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱的理論便難以證實(shí)。θ13接近于零也預(yù)示著新物理或一種新的對(duì)稱性的存在。因此不論是測(cè)得θ13或只給出其上限值，均有極為重要的意義。與加速器實(shí)驗(yàn)相比，反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)可以毫不含糊地確定中微子混合參數(shù)θ13，具有造價(jià)低，速度快的優(yōu)點(diǎn)。

大亞灣與嶺澳核電站

大亞灣核電基地是我國(guó)目前在運(yùn)行核電裝機(jī)容量最大的核電基地。現(xiàn)有兩個(gè)相距1公里的核電站：大亞灣核電站和嶺澳核電站，共有六臺(tái)百萬千瓦級(jí)壓水堆核電機(jī)組。

核電站在發(fā)電的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的中微子。反應(yīng)堆的功率越大，釋放的中微子數(shù)就越多，實(shí)驗(yàn)精度就越高。距兩個(gè)核電站約300米處即有高100米左右的山體，在2公里處有高400米左右的山體。這是一個(gè)得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件。由于足夠的巖石覆蓋，山體下實(shí)驗(yàn)大廳里的宇宙線將減到很小，這是進(jìn)行高精度中微子實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要前提。因此，大亞灣是世界上目前發(fā)現(xiàn)的最適合進(jìn)行θ₁₃實(shí)驗(yàn)的地方。

（大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)整體布局）

實(shí)驗(yàn)方案

由于測(cè)量θ13具有重大科學(xué)意義，2003年前后國(guó)際上有7個(gè)國(guó)家提出了8個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，最終進(jìn)入建設(shè)階段的共有3個(gè)：中國(guó)的大亞灣實(shí)驗(yàn)、法國(guó)的Double Chooz實(shí)驗(yàn)和韓國(guó)的RENO實(shí)驗(yàn)。

大亞灣實(shí)驗(yàn)的布局方案如圖所示，共有3個(gè)實(shí)驗(yàn)大廳，分別為大亞灣近點(diǎn)、嶺澳近點(diǎn)與遠(yuǎn)點(diǎn)大廳。實(shí)驗(yàn)廳均位于山腹內(nèi)，由水平隧道相連。兩個(gè)近點(diǎn)均位于地下100米深處，遠(yuǎn)點(diǎn)則位于地下350米處。每個(gè)實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)各有一套宇宙線探測(cè)系統(tǒng)。中微子探測(cè)系統(tǒng)共有八個(gè)模塊，兩個(gè)近點(diǎn)各放置2個(gè)，遠(yuǎn)點(diǎn)放置4個(gè)。此外還有兩個(gè)功能廳，用于液體閃爍體的混制、貯存和灌裝，及水的凈化處理。

隧道與實(shí)驗(yàn)大廳建設(shè)

隧道與實(shí)驗(yàn)大廳由黃河勘探規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)，中鐵十五局集團(tuán)施工。項(xiàng)目組克服了大量困難，至2010年12月安全完成了核島附近的3000多次爆破，全部滿足國(guó)家核安全局的震動(dòng)要求，建設(shè)了全長(zhǎng)3000米的地下隧道和5個(gè)地下實(shí)驗(yàn)廳。

實(shí)驗(yàn)的探測(cè)器系統(tǒng)

每個(gè)實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)都有一個(gè)巨大的長(zhǎng)16米，高寬各10米的水池，存有約2000噸純凈水。中微子探測(cè)器模塊被浸泡在水池正中，如下圖所示。水池有兩個(gè)作用，一是用作宇宙線探測(cè)器，宇宙線穿過水池時(shí)，會(huì)激發(fā)出切倫科夫光，通過水池四周放置的光電倍增管探測(cè)切倫科夫光，可以探測(cè)到宇宙射線，從而將它對(duì)中微子探測(cè)的影響去除；二是用作屏蔽層，高能宇宙線在附近的巖石中會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子，巖石本身的天然放射性也會(huì)產(chǎn)生大量的伽馬光子，水可以將這些粒子擋在中微子探測(cè)器外，以免對(duì)中微子探測(cè)造成影響。水池上方覆蓋著4層大面積阻性板探測(cè)器（RPC）, 這也是一種宇宙線探測(cè)器。兩種探測(cè)器結(jié)合，對(duì)宇宙線的探測(cè)效率可以達(dá)到99.5％以上。

（探測(cè)系統(tǒng)示意圖）

（大面積阻性板探測(cè)器RPC）

中微子探測(cè)器探測(cè)中微子的中心探測(cè)器是直徑5米、高5米的圓桶，里面裝有液體閃爍體，總重100噸。其核心部分是液體閃爍體和光電倍增管。中微子在探測(cè)器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后能夠激發(fā)液體閃爍體，產(chǎn)生微弱的閃爍光。光電倍增管探測(cè)到閃爍光，將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣我們就探測(cè)到了中微子。下圖顯示了中心探測(cè)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。它由三層構(gòu)成，中心為20噸的摻釓液體閃爍體，中間層為20噸普通液體閃爍體，最外層為40噸礦物油。三層之間用有機(jī)玻璃罐隔開。每個(gè)中心探測(cè)器在礦物油中裝有192個(gè)8英寸光電倍增管安裝。中心探測(cè)器頂上裝有三個(gè)自動(dòng)刻度裝置，定時(shí)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行能量與時(shí)間的自動(dòng)校準(zhǔn)。

（中心探測(cè)器）

（3號(hào)實(shí)驗(yàn)廳中，110噸重的中微子探測(cè)器正在吊裝入10米深的水池中）

發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩

2012年3月8日，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組宣布，發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式，并測(cè)量到其振蕩幾率為9.2％，誤差為1.7％。由于采用了遠(yuǎn)近相對(duì)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)達(dá)到了前所未有的精度，無振蕩的概率僅為千萬分之一。論文于4月27日發(fā)表于美國(guó)物理評(píng)論快報(bào)（Physical Review Letters, Vol.108, No.17）。

通過兩個(gè)近點(diǎn)實(shí)驗(yàn)廳（EH1, EH2）內(nèi)的探測(cè)器測(cè)量反應(yīng)堆中微子流強(qiáng)，在遠(yuǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)廳EH3觀測(cè)振蕩效應(yīng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)點(diǎn)觀測(cè)到的中微子數(shù)顯著低于預(yù)期，表明中微子在飛行過程中發(fā)生了振蕩，由電子反中微子轉(zhuǎn)變成了其它種類的中微子。圖中縱坐標(biāo)為1處的虛線表示無振蕩的預(yù)期值，紅實(shí)線表示當(dāng)振蕩參數(shù)sin22θ13=0.1時(shí)的預(yù)期值。

（大亞灣反中微子探磁器內(nèi)部）

這是我國(guó)誕生的一項(xiàng)重大物理成果，在國(guó)際高能物理界引起熱烈反響，被評(píng)價(jià)為“開啟了未來中微子物理發(fā)展的大門”，并入選美國(guó)《科學(xué)》雜志2012年度十大科學(xué)突破。精確測(cè)量是科學(xué)發(fā)現(xiàn)和突破的基礎(chǔ)。大亞灣實(shí)驗(yàn)測(cè)量到θ13，將為今后中微子物理、天體物理、宇宙學(xué)等前沿科學(xué)研究提供精確的初值輸入，對(duì)基本粒子物理的大統(tǒng)一理論、尋找與鑒別新物理，甚至揭開“宇宙反物質(zhì)消失之謎”具有重要意義。

（中微子探測(cè)器成功安裝在巨型水池之中）

2012年10月19日，大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)站的全部8個(gè)中微子探測(cè)器正式運(yùn)行取數(shù)，標(biāo)志著實(shí)驗(yàn)站的全面建成。實(shí)驗(yàn)站將持續(xù)運(yùn)行3至5年，把中微子混合角sin²2θ₁₃的測(cè)量精度提高4倍，并開展反應(yīng)堆中微子能譜測(cè)量等相關(guān)研究。

合作研究

大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目得到了科技部、中國(guó)科學(xué)院、自然科學(xué)基金委、廣東省、深圳市和中國(guó)廣東核電集團(tuán)的共同支持，同時(shí)也得到了美國(guó)能源部及其它境外機(jī)構(gòu)的支持，是我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域最大的國(guó)際合作項(xiàng)目，是協(xié)同創(chuàng)新的典范。來自中國(guó)（包括香港、臺(tái)灣地區(qū)）、美國(guó)、俄羅斯、捷克的38個(gè)科研機(jī)構(gòu)的約250位科學(xué)家參加實(shí)驗(yàn)。其中100多位來自中科院高能所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)原子能研究院等中國(guó)大陸的科研機(jī)構(gòu)，100多位來自美國(guó)、俄羅斯、捷克及中國(guó)香港、臺(tái)灣地區(qū)的科研機(jī)構(gòu)。

另外，關(guān)于頒獎(jiǎng)慶典視頻和關(guān)于中微子的高冷奇葩笑話如下：

   

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