王贻芳：中微子、光电倍增管和物理学基础研究-凯发k8一触即发

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王贻芳院士的演讲题目是《中微子、光电倍增管和物理学基础研究》。他为我们分享了大亚湾实验关于中微子振荡的研究，并介绍了在建的江门实验室及其突破——中国科学家与科技企业通力合作，终于制造出高质量且高性价比的光电倍增管。他认为，大型科学设施是技术发展最好的触发器和推动器，科学家与工程师合作能够大力推动技术发展。

以下为演讲全文：

大家下午好！

我想和大家谈一谈中微子、光电倍增管和基础科学研究。

中微子在我们周围无处不在，从宇宙大爆炸到我们身处的地球、我们附近的太阳等，都有中微子。其实，我们每一个人的身体也是中微子源——我们每个人每天会发射出三亿四千万个中微子。

中微子在整个物理学当中起着非常重要的作用。在构成物质世界的12个最基本的粒子当中，中微子占了其中的三种，所以说中微子是构成物质世界最基本的单元，我们需要把它研究清楚。但是非常不幸，我们对中微子的了解非常少。到现在为止，我们甚至连中微子质量到底是多少都不清楚，但是我们知道中微子有一点点质量。

中微子数量非常多，在整个宇宙当中大约每立方厘米有300个，所以中微子如果有一点点质量，它对我们整个宇宙的起源、演化，以及宇宙大结构的形成都会起非常重要的作用。我们整个的宇宙当中，在大爆炸的早期它是非常均匀的，能够有一点点所谓的质量密度涨落，才能形成宇宙大的结构。宇宙大的结构形成以后，才会有银河系、太阳、地球，以及在座的各位。所以在座的各位能否存在，跟中微子质量到底是多少非常有关系。实际上，如果中微子质量为零，这个世界上、这个宇宙里面，不会有一个有密度涨落的结构，如果没有这样的一个结构，自然银河系和在座的各位就不会存在。

中微子是1930年由著名科学家泡利提出来的，它是为了解决在微观世界的能量和动量不守恒的问题。由于我们在实验当中发现能量和动量不守恒，泡利就解释说因为有中微子这种基本无法探测的粒子，使得最后你看到的好像是不守恒，但其实它是守恒的。

过了26年，1956年，我们真正在实验上发现了中微子，发现者因此得到了诺贝尔奖。1962年的时候，我们发现其实不只有一种中微子，还有两种中微子。在1958年的时候，在第二种中微子发现之前，有一位科学家提出说中微子和反中微子可以发生振荡，从一种中微子变成另外一种中微子。有两种中微子以后，大家修正了这个想法，就是电子中微子和缪子中微子也可以发生振荡。

又过了40年，1998年日本科学家发现在大气中微子当中，可以有中微子的振荡，这就是非常著名的日本超级神冈实验。到了2002年的时候，加拿大的sno实验发现太阳中微子也可以振荡。这两个实验由于发现中微子振荡而得到了诺贝尔奖。到了2002年的时候，我们看到有两种中微子振荡。 

从物理上来说，三种中微子应该是有三种振荡，所以当时的问题就是寻找另外一个中微子振荡模式，我们把它叫做θ13。从物理上来说，其实有很多所谓的对称性的希望，所以说这个θ13也是可以为零的。我们作为物理学家，就希望知道到底是真的为零，还是不为零。于是，我们在2003年提出实验，到2012年得到了结果。结果告诉我们中微子真的是有第三种振荡模式，这个振荡不为零。

我们目前正在推动的一个新实验叫江门中微子实验。江门中微子实验是我们在2008年大亚湾实验完成之前就提出来的，它是为了研究中微子的质量顺序，精确测量中微子的振荡参数，研究天体中微子比如说超新星中微子、太阳中微子、地球中微子等。同时，我们也希望寻找一种全新的衰变叫无中微子双β衰变，确定反中微子到底是中微子自己本身，还是中微子、反中微子是不一样的粒子。

这在粒子物理学当中是一个非常重要的研究目标。为了实现这个目标，我们需要建设一个大探测器，需要2万吨的液体闪烁体。我们刚才介绍的大亚湾实验里面的液体闪烁体只有20吨，所以这里面差了将近1000倍。2万吨的探测器比目前世界上最大的液体闪烁探测器还要大20倍——日本实验是1000吨，我们是20000吨。

同时，需要把探测器的光收集提高5倍，这比过去有个巨大的提高。为此，我们要把探测器液体的透明度提高差不多将近2倍。还有一个非常重要的技术要求就是要把我们探测光子的设备，叫光电倍增管，它的探测效率要提高2倍，和过去超级神冈实验获得的日本滨松公司生产的光电倍增管的效率相比，提高2倍。 

所有的技术要求加起来产生一个巨大的问题是，我们能不能做，或者世界上是不是真的有人能够做这个事情。事实上，在我们提出这个方案的时候，国际上有很多怀疑，认为这样的实验做不出来。回顾一下这样类似的实验，成功因素主要是什么呢？

虽然设计思想、方案执行、国际合作等因素都很重要，但是我们认为突破关键技术的能力在所有因素当中应该是最重要的。关键技术需要长期的积累，并不是你想做就一定能够做出来，所以发展关键技术、积累关键技术在基础研究中起了一个非常核心关键的作用。那我们看看大亚湾实验有哪些关键技术。 

第一个是液体闪烁体。当时国际上有很多类似的实验，之前的失败很多，所以发展出自己的液体闪烁体技术是我们大亚湾实验最重要的要求。非常幸运我们当时做成了。

第二个是光电倍增管。当时我们是从日本滨松公司买的，买了大概2000多个，所以在江门中微子实验的时候，我们自然还是要问这个问题：这些关键技术我们到底有还是没有？

第一个液体闪烁体，因为我们有了过去大亚湾实验的基础，所以我们认为应该是没有问题的；第二个光电倍增管，如果你从滨松公司买的话指标差2倍, 不够。价钱也是我们不能承受的，大概是我们能够承受价格的2倍以上。所以我们觉得这个实验要想成功的话，一个核心关键问题就是要自己发展光电倍增管。

光电倍增管就是把我们看到的光子转换成电子，再把电子放大，差不多10的7次方倍。这种设备实际上是在（上世纪）30年代发展出来的，它被广泛应用于医学、核研究、空间科学方面。在（上世纪）60年代的时候，中国当时有两个工厂能够生产光电倍增管，但是非常可惜，到（上世纪）90年代的时候，在市场经济大潮当中，它们都失去了竞争力。

当时，中国生产5吋以上的光电倍增管的能力应该是完全没有的。日本的滨松公司也是五六十年代开始建立的，和中国生产光电倍增管的工厂几乎同时起步。到80年代的时候，他们发明了一种新的光电倍增管，是20吋的光电倍增管。这个光电倍增管引领了整个光电倍增管技术的潮流，使得日本滨松公司成为世界上最好的光电倍增管生产企业。

20吋的光电倍增管成功研制并有效使用，实际上也是日本的神冈和超级神冈两个实验的最核心、最关键的成功因素。这两个实验分别获得2002年、2015年的诺贝尔奖。下图这位抱着光电倍增管的就是日本的小柴昌俊，他获得了2002年诺贝尔奖。正是在他的推动下，20吋的光电倍增管在日本发展起来了。 

所以对于我们来说，我们是不是真的能够在中国发展出全新的20吋光电倍增管呢？实际上在这个研究领域，很多人都非常希望发展全新的光电倍增管，特别是提高它的探测效率。这里面有一些例子，应该说一直到2010年，我们准备开始这个实验的时候，几乎是没有成功的。我们当时提出了一个全新的技术方案，采用一种所谓的微通道板，来代替一般光电倍增管当中用的电子放大器件，通过这个技术我们可以提高光的探测效率。我们第一次找了一家研究所，应该说过了3年时间，我们这个探索完全失败，做出来的管子没有达到要求。

我们后来找了另外一家企业，叫做北方夜视技术股份有限公司，这家企业技术能力其实当时并不是特别强，但是它有意愿做这件事情，我觉得这个非常非常重要。这不在于你前面有多少技术，有几个科研人员，核心在于你是不是真的下决心愿意做一件前人没有做过的事情。所以我们组成了合作组，建立了全新的合作模式，制定了章程，并预先讨论了未来的收益分配方式。通过这个，我们避免了所谓的后来可能的一些争议。同时，在整个项目管理当中，我们有每周、每月的会议。

经过各种各样的失败以后，最终我们获得了成功。上面这张照片都是我们做废掉的光电倍增管，都是“尸体”。经过4年的努力，从我们一开始准备，经过了8年的努力，得到了全新的、非常好的、达到要求的样管。

在这时候我们有一个问题，达到要求的样管对这个企业来说也只是样管而已，它有没有能力做批量生产，能不能把我们需要的两万个20吋的光电倍增管都做出来？所以我们当时做了一个非常艰难的决定，我们从南京的北方夜视购买了15000个，从日本的滨松也购买了5000个，这样的话我们在价格、性能、风险的各个方面能做到平衡。通过这样的竞争，我们得到了最好的光电倍增管，我们也得到了非常好的价格。如果没有竞争，大概不会有我们最终的这个结果，我们15000个光电倍增管差不多将近是3亿人民币的产值，最终的效果非常好。到目前为止，我们获得了1万多个满足要求的光电倍增管。

北方夜视也得到不断地发展，它现在在给其它的实验提供光电倍增管，同时也在给空间和核探测的应用方面提供微通道板和光电倍增管。最近它建设了一个很大的研究中心来研究新的光电倍增管，用于医疗仪器设备和工业应用方面的特殊类型的光电倍增管。北方夜视从原来纯粹的生产微通道板的一个企业，发展成为一个具有很好研发能力的一个高科技公司。所以，跟我们的科学家合作，他们学会了如何做前人从来没有做过的事情，这是一个科学家和工程师在专业训练方面的本质差异。这两者的结合应该说是一个最理想的技术发展的模式之一。

在我们江门中微子实验以后，我们其实面临另外一个问题：我们的高能物理是不是能够站在世界舞台的中央，也就是你是不是在研究、探讨、解决粒子物理当中最核心、最根本的问题。我们粒子物理现在的核心问题在哪里呢？我们其实面临了一个转折点，在我们已经完成了粒子物理标准模型的建立，所有的粒子都被发现了之后，下一步该往哪儿走。从很多迹象看，我们需要一个超出标准模型的一个新物理体系。到底哪一个是对的？我们的理论应该向哪个方面发展？我们的实验应该采用什么样的方式？这个是我们面临的重大问题。

所以我们提出了我们的想法——未来发展最理想的选择是建设一个大型的环形正负电子对撞机（cepc），它能产生100万个希格斯粒子。这个想法得到国际上很好的认可，成为未来发展的首选。

对中国来说，这是一个理想选择，是能够引领世界基础物理研究最好的机会——