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驗關(guān)于中微子振蕩的研究，并介紹了在建的江門實驗室及其突破——中國科學(xué)家與科技企業(yè)通力合作，終于制造出高質(zhì)量且高性價比的光電倍增管。他認為，大型科學(xué)設(shè)施是技術(shù)發(fā)展最好的觸發(fā)器和推動器，科學(xué)家與工程師合作能夠大力推動技術(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。
中微子在我們周圍無處不在，從宇宙大爆炸到我們身處的地球、我們附近的太陽等，都有中微子。其實，我們每一個人的身體也是中微子源——我們每個人每天會發(fā)射出三億四千萬個中微子。
中微子在整個物理學(xué)當(dāng)中起著非常重要的作用。在構(gòu)成物質(zhì)世界的12個最基本的粒子當(dāng)中，中微子占了其中的三種，所以說中微子是構(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點質(zhì)量。
中微子數(shù)量非常多，在整個宇宙當(dāng)中大約每立方厘米有300個，所以中微子如果有一點點質(zhì)量，它對我們整個宇宙的起源、演化，以及宇宙大結(jié)構(gòu)的形成都會起非常重要的作用。我們整個的宇宙當(dāng)中，在大爆炸的早期它是非常均勻的，能夠有一點點所謂的質(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，才會有銀河系、太陽、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。實際上，如果中微子質(zhì)量為零，這個世界上、這個宇宙里面，不會有一個有密度漲落的結(jié)構(gòu)，如果沒有這樣的一個結(jié)構(gòu)，自然銀河系和在座的各位就不會存在。
中微子是1930年由著名科學(xué)家泡利提出來的，它是為了解決在微觀世界的能量和動量不守恒的問題。由于我們在實驗當(dāng)中發(fā)現(xiàn)能量和動量不守恒，泡利就解釋說因為有中微子這種基本無法探測的粒子，使得最后你看到的好像是不守恒，但其實它是守恒的。
過了26年，1956年，我們真正在實驗上發(fā)現(xiàn)了中微子，發(fā)現(xiàn)者因此得到了諾貝爾獎。1962年的時候，我們發(fā)現(xiàn)其實不只有一種中微子，還有兩種中微子。在1958年的時候，在第二種中微子發(fā)現(xiàn)之前，有一位科學(xué)家提出說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神岡實驗。到了2002年的時候，加拿大的SNO實驗發(fā)現(xiàn)太陽中微子也可以振蕩。這兩個實驗由于發(fā)現(xiàn)中微子振蕩而得到了諾貝爾獎。到了2002年的時候，我們看到有兩種中微子振蕩。
從物理上來說，三種中微子應(yīng)該是有三種振蕩，所以當(dāng)時的問題就是尋找另外一個中微子振蕩模式，我們把它叫做θ13。從物理上來說，其實有很多所謂的對稱性的希望，所以說這個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，我們在2003年提出實驗，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，這個振蕩不為零。
我們目前正在推動的一個新實驗叫江門中微子實驗。江門中微子實驗是我們在2008年大亞灣實驗完成之前就提出來的，它是為了研究中微子的質(zhì)量順序，精確測量中微子的振蕩參數(shù)，研究天體中微子比如說超新星中微子、太陽中微子、地球中微子等。同時，我們也希望尋找一種全新的衰變叫無中微子雙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)中是一個非常重要的研究目標(biāo)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們需要建設(shè)一個大探測器，需要2萬噸的液體閃爍體。我們剛才介紹的大亞灣實驗里面的液體閃爍體只有20噸，所以這里面差了將近1000倍。2萬噸的探測器比目前世界上最大的液體閃爍探測器還要大20倍——日本實驗是1000噸，我們是20000噸。
同時，需要把探測器的光收集提高5倍，這比過去有個巨大的提高。為此，我們要把探測器液體的透明度提高差不多將近2倍。還有一個非常重要的技術(shù)要求就是要把我們探測光子的設(shè)備，叫光電倍增管，它的探測效率要提高2倍，和過去超級神岡實驗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)要求加起來產(chǎn)生一個巨大的問題是，我們能不能做，或者世界上是不是真的有人能夠做這個事情。事實上，在我們提出這個方案的時候，國際上有很多懷疑，認為這樣的實驗做不出來?；仡櫼幌逻@樣類似的實驗，成功因素主要是什么呢？
雖然設(shè)計思想、方案執(zhí)行、國際合作等因素都很重要，但是我們認為突破關(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)需要長期的積累，并不是你想做就一定能夠做出來，所以發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)、積累關(guān)鍵技術(shù)在基礎(chǔ)研究中起了一個非常核心關(guān)鍵的作用。那我們看看大亞灣實驗有哪些關(guān)鍵技術(shù)。
第一個是液體閃爍體。當(dāng)時國際上有很多類似的實驗，之前的失敗很多，所以發(fā)展出自己的液體閃爍體技術(shù)是我們大亞灣實驗最重要的要求。非常幸運我們當(dāng)時做成了。
第二個是光電倍增管。當(dāng)時我們是從日本濱松公司買的，買了大概2000多個，所以在江門中微子實驗的時候，我們自然還是要問這個問題：這些關(guān)鍵技術(shù)我們到底有還是沒有？
第一個液體閃爍體，因為我們有了過去大亞灣實驗的基礎(chǔ)，所以我們認為應(yīng)該是沒有問題的；第二個光電倍增管，如果你從濱松公司買的話指標(biāo)差2倍, 不夠。價錢也是我們不能承受的，大概是我們能夠承受價格的2倍以上。所以我們覺得這個實驗要想成功的話，一個核心關(guān)鍵問題就是要自己發(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)備實際上是在（上世紀）30年代發(fā)展出來的，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）60年代的時候，中國當(dāng)時有兩個工廠能夠生產(chǎn)光電倍增管，但是非?？上?，到（上世紀）90年代的時候，在市場經(jīng)濟大潮當(dāng)中，它們都失去了競爭力。
當(dāng)時，中國生產(chǎn)5吋以上的光電倍增管的能力應(yīng)該是完全沒有的。日本的濱松公司也是五六十年代開始建立的，和中國生產(chǎn)光電倍增管的工廠幾乎同時起步。到80年代的時候，他們發(fā)明了一種新的光電倍增管，是20吋的光電倍增管。這個光電倍增管引領(lǐng)了整個光電倍增管技術(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，實際上也是日本的神岡和超級神岡兩個實驗的最核心、最關(guān)鍵的成功因素。這兩個實驗分別獲得2002年、2015年的諾貝爾獎。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。正是在他的推動下，20吋的光電倍增管在日本發(fā)展起來了。
所以對于我們來說，我們是不是真的能夠在中國發(fā)展出全新的20吋光電倍增管呢？實際上在這個研究領(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效率。這里面有一些例子，應(yīng)該說一直到2010年，我們準(zhǔn)備開始這個實驗的時候，幾乎是沒有成功的。我們當(dāng)時提出了一個全新的技術(shù)方案，采用一種所謂的微通道板，來代替一般光電倍增管當(dāng)中用的電子放大器件，通過這個技術(shù)我們可以提高光的探測效率。我們第一次找了一家研究所，應(yīng)該說過了3年時間，我們這個探索完全失敗，做出來的管子沒有達到要求。
我們后來找了另外一家企業(yè)，叫做北方夜視技術(shù)股份有限公司，這家企業(yè)技術(shù)能力其實當(dāng)時并不是特別強，但是它有意愿做這件事情，我覺得這個非常非常重要。這不在于你前面有多少技術(shù)，有幾個科研人員，核心在于你是不是真的下決心愿意做一件前人沒有做過的事情。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)先討論了未來的收益分配方式。通過這個，我們避免了所謂的后來可能的一些爭議。同時，在整個項目管理當(dāng)中，我們有每周、每月的會議。
經(jīng)過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4年的努力，從我們一開始準(zhǔn)備，經(jīng)過了8年的努力，得到了全新的、非常好的、達到要求的樣管。
在這時候我們有一個問題，達到要求的樣管對這個企業(yè)來說也只是樣管而已，它有沒有能力做批量生產(chǎn)，能不能把我們需要的兩萬個20吋的光電倍增管都做出來？所以我們當(dāng)時做了一個非常艱難的決定，我們從南京的北方夜視購買了15000個，從日本的濱松也購買了5000個，這樣的話我們在價格、性能、風(fēng)險的各個方面能做到平衡。通過這樣的競爭，我們得到了最好的光電倍增管，我們也得到了非常好的價格。如果沒有競爭，大概不會有我們最終的這個結(jié)果，我們15000個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1萬多個滿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)在在給其它的實驗提供光電倍增管，同時也在給空間和核探測的應(yīng)用方面提供微通道板和光電倍增管。最近它建設(shè)了一個很大的研究中心來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)用方面的特殊類型的光電倍增管。北方夜視從原來純粹的生產(chǎn)微通道板的一個企業(yè)，發(fā)展成為一個具有很好研發(fā)能力的一個高科技公司。所以，跟我們的科學(xué)家合作，他們學(xué)會了如何做前人從來沒有做過的事情，這是一個科學(xué)家和工程師在專業(yè)訓(xùn)練方面的本質(zhì)差異。這兩者的結(jié)合應(yīng)該說是一個最理想的技術(shù)發(fā)展的模式之一。
在我們江門中微子實驗以后，我們其實面臨另外一個問題：我們的高能物理是不是能夠站在世界舞臺的中央，也就是你是不是在研究、探討、解決粒子物理當(dāng)中最核心、最根本的問題。我們粒子物理現(xiàn)在的核心問題在哪里呢？我們其實面臨了一個轉(zhuǎn)折點，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，我們需要一個超出標(biāo)準(zhǔn)模型的一個新物理體系。到底哪一個是對的？我們的理論應(yīng)該向哪個方面發(fā)展？我們的實驗應(yīng)該采用什么樣的方式？這個是我們面臨的重大問題。
所以我們提出了我們的想法——未來發(fā)展最理想的選擇是建設(shè)一個大型的環(huán)形正負電子對撞機（CEPC），它能產(chǎn)生100萬個希格斯粒子。這個想法得到國際上很好的認可，成為未來發(fā)展的首選。
對中國來說，這是一個理想選擇，是能夠引領(lǐng)世界基礎(chǔ)物理研究最好的機會——
第一，希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一個最重要的窗口。
第二，希格斯粒子質(zhì)量不是特別重，環(huán)形對撞機是一個理想的希格斯粒子工廠。相對于直線對撞機來說，這是效率更高的一種設(shè)計。
第三，國際上我們很多的競爭對手（歐洲、美國、日本），他們的手上都有其它正在進行的項目，暫時騰不出手來做環(huán)形希格斯粒子工廠。
第四，環(huán)形正負電子對撞機正好是我們會做的，我們有30年的北京正負電子對撞機的經(jīng)驗。
同時，就像我們剛剛說的，這樣一個裝置也會在技術(shù)上給我們帶來很多機會——
第一，會推動我們國內(nèi)現(xiàn)有的一些技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，這里包括了精密機械、高真空、自動控制、計算機等等。
第二，會使國內(nèi)現(xiàn)在空白的一些關(guān)鍵技術(shù)達到國際先進水平，比如說大功率的微波器件、大型的低溫制冷設(shè)備、超導(dǎo)磁鐵、專用集成電路等。這些方面，我們國內(nèi)要么是空白，要么是在國際上基本沒有影響力。我們希望我們自己的大型科學(xué)裝置，成為國產(chǎn)設(shè)備的第一個用戶，來給它一個機會，讓它成長成為國際領(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)。比如說高溫超導(dǎo)到目前為止還沒有實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，主要還是因為性價比不夠。我們需要有一個全新的引領(lǐng)，把這個技術(shù)發(fā)展起來，使它在最后能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，能夠走入千家萬戶。還有一個是等離子體加速，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)，會使得我們未來的加速器更小、更便宜。國際上離子體加速器還沒有真正的應(yīng)用，我們希望第一個把等離子體加速器給用上。
在CEPC的發(fā)展當(dāng)中一定會有很多像剛才介紹的光電倍增管一樣的成功案例。事實上，我們和工業(yè)界的合作已經(jīng)開始了。我們的CEPC產(chǎn)業(yè)促進會目前有將近70家企業(yè)，我們合作開發(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)施實際上是我們技術(shù)發(fā)展的最好觸發(fā)和推動力，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)能力大大加強和發(fā)展。
第三，國內(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力。沒有這個第一步，很多高科技企業(yè)是沒有機會的。
我們希望能夠得到大家的支持，產(chǎn)生更多國內(nèi)的需求，在國內(nèi)做更多最好的科學(xué)，推動我們的技術(shù)發(fā)展。
謝謝大家！
注：本文轉(zhuǎn)載自公眾號“騰訊科學(xué)WE大會”。
