七日谈(北京篇)/为什么研究「幽灵粒子」\叶 梅
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十二年前,我多次到中国科学院高能物理研究所,先后采访了一批著名的高能物理学家,撰写了长篇报告文学《大对撞》(再版为《粲然》),此书围绕我国第一台大科学装置,也就是北京正负电子对撞机的建造始末,反映了中国几代物理学家的艰苦探索。
何为正负电子对撞机?
科学的解释:即把正电子和负电子(也就是通常说的电子)分别加速到接近光的速度,使它们具有很高的能量,在磁场的约束下让它们迎头对撞的装置。根据爱因斯坦相对论的著名公式E=mc²,正电子和负电子湮没后,会产生其他的新粒子。带有正负电荷的粒子之间的相互作用,形成了原子分子以至世界万物,而人们对粒子的了解,其实是对自然的了解,是宇宙间最根本的问题。
成功建造北京正负电子对撞机的科学家团队,以王贻芳为代表的年轻一代,在对撞机取得一系列研究成果的同时,很快向新的领域掘进,在大亚湾开展了中微子的研究,后又提出在广东江门建造巨大地下实验站的宏大构想,经过数年论证,二○一三年项目获批立项。二○一五年,实验站在广东江门正式开工。
在建造工程中,经高能物理研究所的介绍,我来到了江门中微子实验站的建设工地。高能物理研究所驻开平办事处的一位青年科研人员,在带我去工地的路上,兴致盎然地聊起「中微子」。聊着聊着,像是在说一个无处不在,来无影去无踪的幽灵。他说,在王贻芳主编的《探索宇宙「隐形人」──大亚湾反应堆中微子实验》一书中谈到:中微子就是一个「隐形人」。
也就是人们说到的「幽灵粒子」。
科学证明,从时间开始的那一刻起,中微子就无处不在,构成了世界的本源,但人类认识它却仅有八十余年,许多未解之谜等待着人们的破解。最近数十年间与此相关的研究已有四次获得诺贝尔奖,可见中微子的研究是多么受到重视和极其不易。美国科学家雷蒙德·戴维斯因为观测中微子的开创性工作而获得二○○二年的诺贝尔物理学奖,诺奖委员会形容他的工作:「相当于在整个撒哈拉沙漠中寻找某一粒特定的沙子。」
中微子以近似光速的运动,神秘自由地穿行于地球,有人称它「幽灵粒子」,因为在构成物质世界的十二种基本粒子中,中微子是人类了解最少的一类。事实上,中微子或许可以说是宇宙产生的最重要但也是最小的精灵,如果没有它,太阳不会发光,也不会有银河系、地球、人类。更为奇妙的是,其实中微子就在我们身边,每秒钟几十亿个中微子以接近光传播的速度穿过我们的身体。而一个成年人其体内的天然放射性核素每秒也会释放出三亿多个中微子。中微子几乎不与任何物质发生作用,在它的眼里,地球几乎是透明的。因此,虽然它无处不在,但人们却很难发现它的踪影。
无垠的世界,有一些最基本的物理规律,人类通过科学研究,用智慧搭建起了一个个「标准模型」来阐述那些规律,可中微子振荡与那些标准模型并不兼容。
二○一二年,物理学家王贻芳作为「大亚湾中微子实验」项目的首席科学家,带领科研学者们历时八年首次发现了中微子的第三种振荡模式,并精确测量到其振荡的概率。这项石破天惊的研究,为当时正处在迷茫「岔路口」的中微子研究找到了未来发展的方向,入选《科学》杂志评选的「二○一二年度十大科学突破」,并被美国同行誉为「中国有史以来最重要的物理成果」。
从大亚湾到江门开平打石岭,王贻芳等中国物理学家的布局里,有着新的愿景。他们在这里的首要科学目标是测量中微子的质量顺序,即不同类型中微子质量的差别。基本实验原理与大亚湾实验相同,但江门打石岭距离台山核电站和阳江核电站各五十三公里,是中微子振荡的预期极大点,建在地下七百米深处的实验站,可以屏蔽掉绝大多数宇宙线,可谓天造地设。
后来几年的建设过程,历经了重重挑战,但终于在二○二一年底,完成了地下实验厅土建工程,随即转入精密探测器设备的安装调试阶段。为了精准捕捉极难探测的「幽灵粒子」,实验厅安置了一个全球最大的巨型有机玻璃「水晶球」,球内装满专用探测液体,搭配数万台高精度探测仪器。
二○二五年八月,江门中微子实验站经过前后十余年的建设和实验装置的安装,宣告全面建成,正式投入运行。二○二五年十一月,实验站公布了首批科研成果,大幅提升了太阳中微子相关数据的测量精准度,印证了科学界一直探讨的太阳中微子相关现象,为人类探索全新的物理认知提供了重要参考。目前已汇聚全球十七个国家和地区的科学家共同开展研究。二○二六年,又迎来里程碑式的重大突破,科研团队通过海量观测数据,以百分之九十七点五的超高可信度,基本确定了三种中微子的质量大小顺序,这也是目前全球最精准的相关探测结果,解开了粒子物理领域困扰科学界多年的难题。
很多人仍会好奇,为什么要研究神秘的中微子?
正如当年著名物理学家李政道先生谈到基础科学与应用科学、产品科学的关系时,所举的清水和鱼的关系:
基础科学清如水,应用科学生游鱼,产品科学鱼市场,三者不可缺其一。
对中微子 ─「幽灵粒子」的研究,让中国在这一前沿科研领域站在了世界前列,为探索宇宙之谜不断朝前跨越。同时,为满足实验站高精度研究需求,自主攻克了多项尖端技术,带动了高端科技进步,研发出的精密探测、超纯净材料等技术,不仅服务于基础科研,还能应用于医疗检测、核安全防护等多个民生和安全领域,兼具极高的科学价值和实用价值。当然,答案并不限于此,人类对于世界的认知,仍在一步步前行。

