中国捕捉“幽灵”20年，终于有动静了
科学的又一个惊雷时刻到来。6月22日，在国际中微子大会上，中国科学院院士、美国科学院外籍院士、江门中微子实验（JUNO）合作组发言人王贻芳对外公布了多项最新研究成果。 其中，最振奋人心的是，实验数据显示，我国科学家观测到中微子质量顺序偏向正序的相关迹象。 为了这一发现，中国科学家等待了多个日夜，终于等来了来自地下700米的回响。 过去23年，对于中国科学院高能物理研究所所长曹俊而言，人生的主心骨只有两件事：两个在中国本土进行的物理实验；寻找一种穿透一切事物、几乎不与物质发生作用的微小粒子——中微子。 曹俊 这是一类超脱粒子物理学标准模型的“幽灵粒子”。因为过于无法捉摸，它一度让科学家怀疑能量守恒定律。直到1956年，中微子被美国物理学家率先观测。此后的30余年，中微子研究在欧洲、日本、北美掀起浪潮。研究微小粒子的科学装置越来越大，疯狂深入地下一两千米的山体或矿井中。 曹俊在2003年加入大亚湾中微子实验，而后参与设计了在地下700米进行的江门中微子实验（JUNO）。前者让中国在中微子领域取得重大科学突破，后者于去年8月正式取数，首个物理成果于6月10日发表在顶刊《Nature》的封面。 JUNO首个物理成果登上《Nature》封面 作为世界独一无二的大科学装置的设计者之一，曹俊多数时候是谦和的，他很少直接表达野心，思维开放，欢迎各领域的交流，谨慎地预测结果。 JUNO的首要科学目标，是完成中微子的质量测序，预计6年得出结果。但曹俊告诉南风窗：“实验设计时间是6年，运气好的话我们会更快；运气不好6年也测不出来，因为统计有涨落。” 他知道自己在与什么对抗，时间、运气乃至宇宙，很多因素都不是他能控制的。但如果连科学家都无法描绘研究中微子的未来，为什么一群人要花上几十年，做一个没有明确回报的事情？ 曹俊的答案，关于物理的方向。他知道的不是新物理该往何处去，而是，人类只能往前走。 理性的力量 曹俊的办公地在中国科学院玉泉路院区，他的办公室很干净，窗子旁整齐摆放了一排绿萝。除了电脑和书，房间内几乎没有多余的摆件，这与他认为学物理的人的理性特质相符。 理性贯穿曹俊的思维模式和语言表达。他参与设计了中国新一代大国装置——江门中微子实验室。问起期间激动人心的节点，他说：“没有这种时候……因为工程规划得很好，我们都有进度条。即使到了关键点，心里已经过了很多遍。” 物理带给人最极致的理性，“我相信许多事情背后是有规律的。多问为什么”。而物理实验教给他的是，凡事要“分清大小”，想清楚什么是最重要的事。 作为高能物理的博士，曹俊一度想成为像霍金一样的理论物理学家。1998年，曹俊博士毕业，受在法国奥塞直线加速器实验室的师兄邀请，误打误撞进入实验物理领域。他清楚物理学里“两派”之间的差异。理论物理需要很强的推导能力，“看见数字、看见符号，要知道后面的物理意义”。 2022年，曹俊在建设中的江门中微子实验室探测器前/图源：江门中微子实验室 但实验物理完全不是一回事。人通常只能图像化思考。开展一项物理实验，会遇到各种各样的干扰因素，数据可能是错的，可能会遇到假信号，技术上可能实现不了。现实情况错综复杂，所以，“一辈子只能干几件事”。 或许是很早就意识到了这一点，2003年9月，曹俊在美国最负盛名的粒子物理研究中心费米实验室做博士后时，接到了时任中国科学院高能物理研究所研究员、现中国科学院院士、美国国家科学院外籍院士王贻芳的电话。后者告诉他，他打算在大亚湾核电站附近做中微子实验，问他中心探测器该设计成圆柱的还是方的。 曹俊回去用计算机做模拟计算，两周后告诉王贻芳，圆柱型的性能更好。 顺着这个话头，不久，王贻芳再打来了电话：“回来吧，我们有事要干了。” 江门中微子实验首席科学家王贻芳院士/图源：江门中微子实验室 彼时，中微子研究正在全世界变得热门。日本科学家通过深埋地下1000米的超级神冈实验室，于1998年宣布发现了大气中微子振荡。2002年，加拿大SNO实验室接力发现太阳中微子振荡。而中国高能物理界，做中微子大型实验的经验为零。 寻找第三种振荡、测量中微子混合角θ13此时变得重要。曹俊在论文中解释，中微子振荡可能跟宇宙早期的物质-反物质不对称性有关。而第三种振荡混合角θ13的大小，也将影响今后中微子的实验走向。 中微子振荡矩阵 就在2003年前后，全球科学界罕见地“撞题”，有8个团队提出了测量混合角θ13的实验方案。最终，3个方案获得支持，分别是中国深圳以东的大亚湾实验、法国的Double Chooz实验、韩国的RENO实验。 2003年末，曹俊放弃在美国的高薪，加入王贻芳的大亚湾实验。当时30岁出头的曹俊，首先被派去参与大亚湾实验设计，等正式立项后，他又被叫去负责探测器的研制。曹俊坦言，彼时的中国，熟悉中微子的人并不多，团队核心成员只有个位数。这是他第一次在大型实验里拥有自主权，可以决定实验的走向。 美国部分科学家加入了大亚湾实验。当时，美国能源部承诺给中国千万级美元的支持，是通过共同研发探测器实现的，这在粒子物理界叫“实物贡献”，是国际合作的通用做法。 每天，曹俊不仅要跑工厂盯探测器，还要和美国人“争吵”。双方需要实时沟通探测器的进展，每一个螺丝怎么拼的细节都要确认清楚。其间，两国团队的安全规定、思维习惯都有很大不同，中美团队经常会有争执。 此时，科学家还得回归理性的一面。“我们都有共同的科学目标，（中美之间）会吵很多，但不会吵崩。”曹俊说，“因为大家都想把事做成。” “三个不可能” 为了更好地理解中国物理学家的“野心”，我们探访了江门中微子实验室（JUNO）。大亚湾实验室在2012年取得重大成果，于2020年正式退役。接力的JUNO坐落于江门开平的金鸡镇。 坐落于江门开平金鸡镇的江门中微子实验室/图源：江门中微子实验室 一栋盖有蓝色屋顶的厂房式建筑在山坳间伫立，室内修建了一条铁轨，小火车轰轰隆隆地沿着斜井，将人从地面载到地下700米的中微子实验室。这里依然保持着地下岩洞的原貌，人类的日照灯让岩壁处长出植物。一切在提醒着来客，由中国人凿出来的地下原始洞穴，不可思议地建起了世界最大液体闪烁体中微子探测器。 利用地下并非物理学家的首创，挖地铁、修隧道、采金矿，人类足迹曾深入地下，与越来越热的地心打交道。唯一让JUNO不同的是，所有的选择都来自物理学家的计算。 2008年，大亚湾实验室还在工程建设阶段，王贻芳便开始催促曹俊等人提前考虑中国中微子研究的未来。如果大亚湾中微子实验，中国做成了，下一步应该怎么做？王贻芳习惯站在未来想未来，希望团队未雨绸缪。 曹俊记得，在一次从深圳去香港的路上，他在王贻芳面前，又一次谈起他脑子里的构想。 此前，他想过θ13角之后的好几个实验方案，但一经过计算，都“差点意思”。他这个新构想运用到一个此前未被王贻芳注意到的物理原理。尽管，曹俊强调，这个效应并非只有他知道，理论物理界先前有人提起过。但人人都清楚其中的难度。 曹俊向王贻芳提起了这个新方案，同时附带了他认为实现它的“三个不可能”。 第一个“不可能”是，当时物理学界对θ13角的预测是在1%～3%左右。如果θ13角测出来太小，如1%，实验难度太大，无法做接下来的中微子质量测序实验。 第二是，这类大型实验将会是十亿级别的项目。而做大亚湾实验时，他们找了六家资助机构，才勉强凑出来1亿多元经费。“实验规模一下大了10倍，上哪找钱？我觉得对中国来说，这个实验太贵了。” 大亚湾反应堆中微子实验布局 第三个“不可能”是探测器的技术。按照当时的技术，曹俊认为，即使用上了世界效率最高的光电倍增管，也达不到实验设计的要求。 敏锐的王贻芳却格外肯定这个方案，这是他从来没想到利用的物理效应。 在出租车上，王贻芳说，首先，θ13角还没被正式测出来。 “万一，测出来θ13的数值很大呢？必须保留可能性，（要有）开放的思想。” 至于光电倍增管的效率，王贻芳说：“技术上我们还有10年的时间。”他又宽慰后辈：“你看中国发展这么快，每年投入基础研究的资金增长非常快。钱的问题更不用担心。” 紧密排布的光电倍增管/图源：江门中微子实验室 2008年，王贻芳、曹俊等在美国《物理评论》期刊提交了论文，提出一个基于中等基线进行中微子质量顺序的实验方案，这是江门中微子实验的雏形。曹俊解释，论文的发表意味着，“我们决定认真地做这件事。当时绝大部分人跟我想法一样，觉得这事不可能做出来”。 物理的发展总是很难如人们所计划和预想的一样。4年后，不被外界看好的团队却在全世界最快获得了新发现。美国Science杂志将其评为当年“十大科学突破”。 2012年3月8日，大亚湾中微子实验合作组率先宣布，仅在正式取数后55天，以5.2倍标准偏差测得θ13角。在物理学领域，5个标准差对应着约99.99994%的置信度，是一项颠覆性新发现的黄金标准。 中微子随距离的振荡曲线与实验测量值 更关键的是，科学家测得的θ13角比此前理论预测的大得多。 θ13角为9.2%。这比曹俊2008年设计下一代实验时预估的最乐观的状况——θ13为5%还要大。曹俊解释，这意味着，接下来的中微子质量测序实验难度大大降低。 振奋人心的结果让他得出前沿科学研究中最重要的启示之一：保持乐观。又或者，他引用米开朗琪罗说的：“我们多数人的危机不在于把目标设得太高而没达成，而在于把目标定得太低而达成。” “分清大小” 从小火车下来，我们朝着内部深入。JUNO的中心探测器在2025年正式运行后，已经做封闭处理，只有少数工人在现场进行日常维护。十余年前开工时，人们先是炸出了地下通道和地下洞室，接着朝地下挖出了一个大水池。整个地下洞室跨度达50米，高度70米。 施工队开始在池子里建造直径41米的不锈钢网壳，在立起来的网壳上安装了4.5万个金黄色的光电倍增管以及数不清的连接线路。世界上最大的有机玻璃球也在网壳之内，里面灌入了重达2万吨的液闪。 等到探测器正式取数时，台山核电站与阳江核电站核反应堆释放的中微子，会有极小部分与玻璃球里的液闪相互作用，发出光。光接着被光电倍增管捕捉，变成电信号，海量数据被传送给科学家，用作物理分析。 在江门中微子实验中心探测器有机玻璃球顶部拍摄的光电倍增管/新华社记者 金立旺 摄 这是曹俊人生第二次主导的中微子实验。与10年前不同的是，自从2012年大亚湾中微子实验成功测得θ13后，世界将目光看向了中国。 《微光志——解码国之重器江门地下中微子实验》一书记录道，在过去近半个世纪以来，中国在中微子领域没有作出突出成就，因此中微子的顶级学术会议，从未给中国人留座位。2012年后，中国粒子物理学家不仅会受到国际顶级会议的邀请，还一定会被邀请上台发言。 而对于中国科学家而言，大亚湾实验的成功也改变了一代物理人的研究方向。2012年，θ13角成功测得后，中国科学院高能物理研究所团队开始寻找适合做下一代中微子实验的地点。2013年春，江门中微子实验即获立项，得到中国科学院战略性先导科技专项（A类）支持，进度远远快于同行的国家。 江门中微子实验室/南风窗记者 郭嘉亮 摄 德国、意大利、法国……江门中微子实验筹备时，许多欧洲的科学家便宣布加入。美国科学家本来也加入了江门实验，但美国能源部此后不愿意给钱，科学家被迫退出。最终，来自17个国家的700多名科学家加入了JUNO，人数是大亚湾的三倍。 在现实中，研究物理的科学家比人们印象中要狼狈。2015年，江门中微子实验刚开始动工时，难住科学家的不是物理问题，而是无法控制的地下水。一次涌水就是万吨级的，工人只能泡在水里，一边抽水一边施工。科学家团队一度担心，JUNO的方案无法在地下700米实行。 同样头疼的还有各类技术问题，光电倍增管的效率、有机玻璃球的承重、液闪的纯化问题，在世界其他地方都没有复制的解法。项目从开工时就不及预期，JUNO原定在2020年正式完工。时间一直往后延，直到5年后的暑期。 科研人员在有机玻璃与光电倍增管的夹层检查有机玻璃安装情况/图源：江门中微子实验室 现实不断超出人类的构想，反复挑战科学家和工程师的耐心。我问曹俊，一个野心巨大的物理实验，首先卡在了工程和建筑阶段，如何保持前进的耐心？ “因为一直要解决问题。有问题没解决，不保持耐心也没办法。”曹俊的回答依然理性。 他提起了自己在大亚湾实验的“至暗时刻”。那是一个安装在水泥池内的200吨尼龙液袋，一天，里面的液体闪烁体（液闪）原材料烷基苯突然开始往外滴。要及时止住漏液，只能换容器，但这将拖慢总体进度至少1个月，也会不可避免地污染原来极纯净的烷基苯。 抱着侥幸心理，曹俊想再等几天，也许液闪漏率不大，能扛过去。但实验的出错给人的压力太大，夜里睡觉时，他仿佛能清晰地听见液闪往外漏的滴答声，让他无法入眠。随着时间流逝，液闪越漏越多。约1个月后，他终于没顶住压力，做出从头开始的决定。 他把液闪倒出来，装进新的罐子里，再对水池做防漏衬垫，更换好的液袋，把液闪重新装回新的液袋，前后倒腾了几个月。幸运的是，容器对液闪的污染不太明显，没有影响大亚湾实验的质量。 地下平段施工工况地下水涌水严重，也是限制施工进度的关键因素/图源：江门中微子实验室 以后，再遇到煎熬的抉择时，曹俊会想：“最坏的情况，会不会让我活不下去？”这么想以后，“大部分时候，都能想到可以接受的底线方案”。 相比于出错，他理清了更重要的事：在全世界只有一个的大科学装置面前，质量比抢跑更重要。 经历两次大型物理实验后，他变得更理性了。他现在会想，物理学家必须向现实妥协，现实中一定有不可预测、不完美的状况。 于是，“判断大小就非常重要。你必须很清楚哪些是大事，哪些是小事，哪些是绝对不容有失的事”，他说。“分清大小”通常要伴随长期的思考。“有些是直观的，有些是反常识的。只有把它当成一个问题，长时间、反复思考才会清晰。” 令曹俊印象深刻的是，JUNO实验组有国际顾问委员会，每年都会给项目提意见。有好几次，委员会给他们提出的意见是，“别着急”。 他记得有一封推荐意见是这么说的：“虽然JUNO正式取数比原计划晚，但第一，这件事本身就很难；第二，即使已经晚了很多，也比美国、日本快。” 伟大无法规划 除了要对抗时间，物理学家需要面对现实的时候还有很多。一位江门中微子实验室的工作人员在接待参观者时，常被问道：“什么时候出成果？”中国科学院高能所研究人员接受采访时，经常面临的问题是，江门中微子研究能否有助于中国拿诺贝尔奖。 曹俊也经常被提问，“科学家花了那么多力气寻找幽灵粒子，中微子到底有什么用？” 研究基础科学的物理学家在意的事，与快节奏的现代社会显得有些格格不入。按照科学家的预计，完成中微子质量测序耗时约六年，加上前期立项、建设探测器花的时间，总共花了18年。这还不是测量中微子的绝对质量，而是弄清楚三种中微子谁最重，谁最轻。即使掌握了质量顺序，人类对中微子的了解仍非常少。 根据测量结果，中微子质量可能存在的正反两种顺序 如果脱离科学领域，中微子研究的作用就更模糊了。“至少在可预见的将来，中微子不会有实用价值的应用。”曹俊曾在央视节目上说道。 学物理的人也在面临着价值拷问。在2025年一次电视节目上，一名学物理的博士生向曹俊提问：“AI如今处理复杂问题的能力非常强，那么此刻，我们做物理的人，是否还具备自己的独立价值？” 时代不同了，但曹俊没怎么变。他每天依旧早上八点半到办公室，一直工作到晚上八点，欧洲科学家就要开始与中国科学家进行线上会议，经常讨论到深夜12点。他曾在微博上透露：“我们只要每周工作70+小时从来没感到hard的人。” 曹俊 但这位有自己世界的物理学家也发现，年轻一代面临着与过去全然不同的环境。他们的选择变得更多，自主性也变强。同时，短视频等媒介夺走了许多人的专注力，他们还面临着拿课题、申请基金等现实压力。 “现在政策鼓励博士生、博士后申请基金和项目，出发点是好的，结果并不好，反而让（年轻人）脱离本来该做的事。”曹俊说，“人本来应该是对自然、对物理感兴趣。” 一个真正适合研究物理的人，在曹俊眼里，应该拥有真正的好奇心，不是为了发论文，而是为了不断问下去。“如果你对某一个领域感兴趣，就可以不停地做下去，科研是没有止境的。”从事基础研究的人应该是更简单的。“不能说奔着一个重大科学发现做事，而是平时的研究就挺有意思，没有（突破）也过得挺有意思。” 对待中微子的实验，他也如此。比起和媒体反复阐述中微子质量测序对于该领域的意义，他更喜欢形容，花费超过十年建起的JUNO，意味着人类拥有了“一个比以前看得远的眼睛”。他参与撰写的《江门中微子实验黄皮书》里写道，JUNO实验不仅可以完成质量测序，还能够对来自太阳、超新星、大气和地球的中微子开展前沿研究。 正、反两种中微子质量顺序下超新星中微子事例率随原中子星质量的变化 至于具体能看到什么，科学家也不完全知道。如果此后物理学家发现，中微子无法解释大爆炸时期宇宙奥秘，那也没有办法，“看到什么就应该是什么”。 比起冲击诺贝尔奖，或者提前完成JUNO的科学目标，曹俊内心更盼望的是，通过JUNO，看见人类此前从未预料的新现象。 “最重要的发现通常是意料之外的。科学突破是无法规划的。”曹俊说。 他解释，粒子物理有一个标准模型。标准模型可以解释极微观世界几乎所有的物理现象，但仍有不完善的地方。“比如，暗物质放不进去、中微子不知道怎么放……我们最大的希望是通过观察中微子，给我们提供线索，来突破现有的理论。” 伟大是无法规划的。科学家们都在等待意料之外的时刻，一个激发所有人灵感的新现象。新物理或许就藏在人类未知、未观测到的现象里，比起各类规划来找确定性，未知才是科学家乐意拥抱的。 硐室轮廓初见雏形时，前方就是实验大厅/图源：江门中微子实验室 回到学生问到物理的价值问题。曹俊思考了片刻，回答道：“你说得很对，从短距离来看，AI可以把很多问题执行得很好。” 他说：“但AI不知道该往哪里走；从长远来看，只有清楚物理的人，才知道我们的目标——做这个实验当初是为了干什么？” 在社交账号上，这个乐观的物理学家喜欢引用米兰·昆德拉的话：“我对你透露一个大秘密，这是人类最古老的玩笑。往哪走，都是往前走。” 本文首发于《南风窗》杂志第14期 作者 | 朱秋雨 发自北京、广东江门
