捕捉“幽靈”20年，終于有動靜了

科學的又一個驚雷時刻到來。

6月22日，在國際中微子大會上，中國科學院院士、美國科學院外籍院士、江門中微子實驗（JUNO）合作組發言人王貽芳對外公布了多項最新研究成果。

其中，最振奮人心的是，實驗數據顯示，我國科學家觀測到中微子質量順序偏向正序的相關跡象。

為了這一發現，中國科學家等待了多個日夜，終于等來了來自地下700米的回響。

過去23年，對于中國科學院高能物理研究所所長曹俊而言，人生的主心骨只有兩件事：兩個在中國本土進行的物理實驗；尋找一種穿透一切事物、幾乎不與物質發生作用的微小粒子——中微子。

曹俊

這是一類超脫粒子物理學標準模型的“幽靈粒子”。因為過于無法捉摸，它一度讓科學家懷疑能量守恒定律。直到1956年，中微子被美國物理學家率先觀測。此后的30余年，中微子研究在歐洲、日本、北美掀起浪潮。研究微小粒子的科學裝置越來越大，瘋狂深入地下一兩千米的山體或礦井中。

曹俊在2003年加入大亞灣中微子實驗，而后參與設計了在地下700米進行的江門中微子實驗（JUNO）。前者讓中國在中微子領域取得重大科學突破，后者于去年8月正式取數，首個物理成果于6月10日發表在頂刊《Nature》的封面。

JUNO首個物理成果登上《Nature》封面

作為世界獨一無二的大科學裝置的設計者之一，曹俊多數時候是謙和的，他很少直接表達野心，思維開放，歡迎各領域的交流，謹慎地預測結果。

JUNO的首要科學目標，是完成中微子的質量測序，預計6年得出結果。但曹俊告訴南風窗：“實驗設計時間是6年，運氣好的話我們會更快；運氣不好6年也測不出來，因為統計有漲落?！?/p>

他知道自己在與什么對抗，時間、運氣乃至宇宙，很多因素都不是他能控制的。但如果連科學家都無法描繪研究中微子的未來，為什么一群人要花上幾十年，做一個沒有明確回報的事情？

曹俊的答案，關于物理的方向。他知道的不是新物理該往何處去，而是，人類只能往前走。

理性的力量

曹俊的辦公地在中國科學院玉泉路院區，他的辦公室很干凈，窗子旁整齊擺放了一排綠蘿。除了電腦和書，房間內幾乎沒有多余的擺件，這與他認為學物理的人的理性特質相符。

理性貫穿曹俊的思維模式和語言表達。他參與設計了中國新一代大國裝置——江門中微子實驗室。問起期間激動人心的節點，他說：“沒有這種時候……因為工程規劃得很好，我們都有進度條。即使到了關鍵點，心里已經過了很多遍。”

物理帶給人最極致的理性，“我相信許多事情背后是有規律的。多問為什么”。而物理實驗教給他的是，凡事要“分清大小”，想清楚什么是最重要的事。

作為高能物理的博士，曹俊一度想成為像霍金一樣的理論物理學家。1998年，曹俊博士畢業，受在法國奧塞直線加速器實驗室的師兄邀請，誤打誤撞進入實驗物理領域。他清楚物理學里“兩派”之間的差異。理論物理需要很強的推導能力，“看見數字、看見符號，要知道后面的物理意義”。

2022年，曹俊在建設中的江門中微子實驗室探測器前/圖源：江門中微子實驗室

但實驗物理完全不是一回事。人通常只能圖像化思考。開展一項物理實驗，會遇到各種各樣的干擾因素，數據可能是錯的，可能會遇到假信號，技術上可能實現不了?，F實情況錯綜復雜，所以，“一輩子只能干幾件事”。

或許是很早就意識到了這一點，2003年9月，曹俊在美國最負盛名的粒子物理研究中心費米實驗室做博士后時，接到了時任中國科學院高能物理研究所研究員、現中國科學院院士、美國國家科學院外籍院士王貽芳的電話。后者告訴他，他打算在大亞灣核電站附近做中微子實驗，問他中心探測器該設計成圓柱的還是方的。

曹俊回去用計算機做模擬計算，兩周后告訴王貽芳，圓柱型的性能更好。

順著這個話頭，不久，王貽芳再打來了電話：“回來吧，我們有事要干了?！?/p>

江門中微子實驗首席科學家王貽芳院士/圖源：江門中微子實驗室

彼時，中微子研究正在全世界變得熱門。日本科學家通過深埋地下1000米的超級神岡實驗室，于1998年宣布發現了大氣中微子振蕩。2002年，加拿大SNO實驗室接力發現太陽中微子振蕩。而中國高能物理界，做中微子大型實驗的經驗為零。

尋找第三種振蕩、測量中微子混合角θ13此時變得重要。曹俊在論文中解釋，中微子振蕩可能跟宇宙早期的物質-反物質不對稱性有關。而第三種振蕩混合角θ13的大小，也將影響今后中微子的實驗走向。

中微子振蕩矩陣

就在2003年前后，全球科學界罕見地“撞題”，有8個團隊提出了測量混合角θ13的實驗方案。最終，3個方案獲得支持，分別是中國深圳以東的大亞灣實驗、法國的Double Chooz實驗、韓國的RENO實驗。

2003年末，曹俊放棄在美國的高薪，加入王貽芳的大亞灣實驗。當時30歲出頭的曹俊，首先被派去參與大亞灣實驗設計，等正式立項后，他又被叫去負責探測器的研制。曹俊坦言，彼時的中國，熟悉中微子的人并不多，團隊核心成員只有個位數。這是他第一次在大型實驗里擁有自主權，可以決定實驗的走向。

美國部分科學家加入了大亞灣實驗。當時，美國能源部承諾給中國千萬級美元的支持，是通過共同研發探測器實現的，這在粒子物理界叫“實物貢獻”，是國際合作的通用做法。

每天，曹俊不僅要跑工廠盯探測器，還要和美國人“爭吵”。雙方需要實時溝通探測器的進展，每一個螺絲怎么拼的細節都要確認清楚。其間，兩國團隊的安全規定、思維習慣都有很大不同，中美團隊經常會有爭執。

此時，科學家還得回歸理性的一面?！拔覀兌加泄餐目茖W目標，（中美之間）會吵很多，但不會吵崩?！辈芸≌f，“因為大家都想把事做成。”

“三個不可能”

為了更好地理解中國物理學家的“野心”，我們探訪了江門中微子實驗室（JUNO）。大亞灣實驗室在2012年取得重大成果，于2020年正式退役。接力的JUNO坐落于江門開平的金雞鎮。

坐落于江門開平金雞鎮的江門中微子實驗室/圖源：江門中微子實驗室

一棟蓋有藍色屋頂的廠房式建筑在山坳間佇立，室內修建了一條鐵軌，小火車轟轟隆隆地沿著斜井，將人從地面載到地下700米的中微子實驗室。這里依然保持著地下巖洞的原貌，人類的日照燈讓巖壁處長出植物。一切在提醒著來客，由中國人鑿出來的地下原始洞穴，不可思議地建起了世界最大液體閃爍體中微子探測器。

利用地下并非物理學家的首創，挖地鐵、修隧道、采金礦，人類足跡曾深入地下，與越來越熱的地心打交道。唯一讓JUNO不同的是，所有的選擇都來自物理學家的計算。

2008年，大亞灣實驗室還在工程建設階段，王貽芳便開始催促曹俊等人提前考慮中國中微子研究的未來。如果大亞灣中微子實驗，中國做成了，下一步應該怎么做？王貽芳習慣站在未來想未來，希望團隊未雨綢繆。

曹俊記得，在一次從深圳去香港的路上，他在王貽芳面前，又一次談起他腦子里的構想。

此前，他想過θ13角之后的好幾個實驗方案，但一經過計算，都“差點意思”。他這個新構想運用到一個此前未被王貽芳注意到的物理原理。盡管，曹俊強調，這個效應并非只有他知道，理論物理界先前有人提起過。但人人都清楚其中的難度。

曹俊向王貽芳提起了這個新方案，同時附帶了他認為實現它的“三個不可能”。

第一個“不可能”是，當時物理學界對θ13角的預測是在1%～3%左右。如果θ13角測出來太小，如1%，實驗難度太大，無法做接下來的中微子質量測序實驗。

第二是，這類大型實驗將會是十億級別的項目。而做大亞灣實驗時，他們找了六家資助機構，才勉強湊出來1億多元經費?！皩嶒炓幠Ｒ幌麓罅?0倍，上哪找錢？我覺得對中國來說，這個實驗太貴了。”

大亞灣反應堆中微子實驗布局

第三個“不可能”是探測器的技術。按照當時的技術，曹俊認為，即使用上了世界效率最高的光電倍增管，也達不到實驗設計的要求。

敏銳的王貽芳卻格外肯定這個方案，這是他從來沒想到利用的物理效應。

在出租車上，王貽芳說，首先，θ13角還沒被正式測出來。

“萬一，測出來θ13的數值很大呢？必須保留可能性，（要有）開放的思想。”

至于光電倍增管的效率，王貽芳說：“技術上我們還有10年的時間?！彼謱捨亢筝叄骸澳憧粗袊l展這么快，每年投入基礎研究的資金增長非?？?。錢的問題更不用擔心?！?/p>

緊密排布的光電倍增管/圖源：江門中微子實驗室

2008年，王貽芳、曹俊等在美國《物理評論》期刊提交了論文，提出一個基于中等基線進行中微子質量順序的實驗方案，這是江門中微子實驗的雛形。曹俊解釋，論文的發表意味著，“我們決定認真地做這件事。當時絕大部分人跟我想法一樣，覺得這事不可能做出來”。

物理的發展總是很難如人們所計劃和預想的一樣。4年后，不被外界看好的團隊卻在全世界最快獲得了新發現。美國Science雜志將其評為當年“十大科學突破”。

2012年3月8日，大亞灣中微子實驗合作組率先宣布，僅在正式取數后55天，以5.2倍標準偏差測得θ13角。在物理學領域，5個標準差對應著約99.99994%的置信度，是一項顛覆性新發現的黃金標準。

中微子隨距離的振蕩曲線與實驗測量值

更關鍵的是，科學家測得的θ13角比此前理論預測的大得多。

θ13角為9.2%。這比曹俊2008年設計下一代實驗時預估的最樂觀的狀況——θ13為5%還要大。曹俊解釋，這意味著，接下來的中微子質量測序實驗難度大大降低。

振奮人心的結果讓他得出前沿科學研究中最重要的啟示之一：保持樂觀。又或者，他引用米開朗琪羅說的：“我們多數人的危機不在于把目標設得太高而沒達成，而在于把目標定得太低而達成。”

“分清大小”

從小火車下來，我們朝著內部深入。JUNO的中心探測器在2025年正式運行后，已經做封閉處理，只有少數工人在現場進行日常維護。十余年前開工時，人們先是炸出了地下通道和地下洞室，接著朝地下挖出了一個大水池。整個地下洞室跨度達50米，高度70米。

施工隊開始在池子里建造直徑41米的不銹鋼網殼，在立起來的網殼上安裝了4.5萬個金黃色的光電倍增管以及數不清的連接線路。世界上最大的有機玻璃球也在網殼之內，里面灌入了重達2萬噸的液閃。

等到探測器正式取數時，臺山核電站與陽江核電站核反應堆釋放的中微子，會有極小部分與玻璃球里的液閃相互作用，發出光。光接著被光電倍增管捕捉，變成電信號，海量數據被傳送給科學家，用作物理分析。

在江門中微子實驗中心探測器有機玻璃球頂部拍攝的光電倍增管/新華社記者 金立旺 攝

這是曹俊人生第二次主導的中微子實驗。與10年前不同的是，自從2012年大亞灣中微子實驗成功測得θ13后，世界將目光看向了中國。

《微光志——解碼國之重器江門地下中微子實驗》一書記錄道，在過去近半個世紀以來，中國在中微子領域沒有作出突出成就，因此中微子的頂級學術會議，從未給中國人留座位。2012年后，中國粒子物理學家不僅會受到國際頂級會議的邀請，還一定會被邀請上臺發言。

而對于中國科學家而言，大亞灣實驗的成功也改變了一代物理人的研究方向。2012年，θ13角成功測得后，中國科學院高能物理研究所團隊開始尋找適合做下一代中微子實驗的地點。2013年春，江門中微子實驗即獲立項，得到中國科學院戰略性先導科技專項（A類）支持，進度遠遠快于同行的國家。

江門中微子實驗室/南風窗記者 郭嘉亮 攝

德國、意大利、法國……江門中微子實驗籌備時，許多歐洲的科學家便宣布加入。美國科學家本來也加入了江門實驗，但美國能源部此后不愿意給錢，科學家被迫退出。最終，來自17個國家的700多名科學家加入了JUNO，人數是大亞灣的三倍。

在現實中，研究物理的科學家比人們印象中要狼狽。2015年，江門中微子實驗剛開始動工時，難住科學家的不是物理問題，而是無法控制的地下水。一次涌水就是萬噸級的，工人只能泡在水里，一邊抽水一邊施工。科學家團隊一度擔心，JUNO的方案無法在地下700米實行。

同樣頭疼的還有各類技術問題，光電倍增管的效率、有機玻璃球的承重、液閃的純化問題，在世界其他地方都沒有復制的解法。項目從開工時就不及預期，JUNO原定在2020年正式完工。時間一直往后延，直到5年后的暑期。

科研人員在有機玻璃與光電倍增管的夾層檢查有機玻璃安裝情況/圖源：江門中微子實驗室

現實不斷超出人類的構想，反復挑戰科學家和工程師的耐心。我問曹俊，一個野心巨大的物理實驗，首先卡在了工程和建筑階段，如何保持前進的耐心？

“因為一直要解決問題。有問題沒解決，不保持耐心也沒辦法。”曹俊的回答依然理性。

他提起了自己在大亞灣實驗的“至暗時刻”。那是一個安裝在水泥池內的200噸尼龍液袋，一天，里面的液體閃爍體（液閃）原材料烷基苯突然開始往外滴。要及時止住漏液，只能換容器，但這將拖慢總體進度至少1個月，也會不可避免地污染原來極純凈的烷基苯。

抱著僥幸心理，曹俊想再等幾天，也許液閃漏率不大，能扛過去。但實驗的出錯給人的壓力太大，夜里睡覺時，他仿佛能清晰地聽見液閃往外漏的滴答聲，讓他無法入眠。隨著時間流逝，液閃越漏越多。約1個月后，他終于沒頂住壓力，做出從頭開始的決定。

他把液閃倒出來，裝進新的罐子里，再對水池做防漏襯墊，更換好的液袋，把液閃重新裝回新的液袋，前后倒騰了幾個月。幸運的是，容器對液閃的污染不太明顯，沒有影響大亞灣實驗的質量。

地下平段施工工況地下水涌水嚴重，也是限制施工進度的關鍵因素/圖源：江門中微子實驗室

以后，再遇到煎熬的抉擇時，曹俊會想：“最壞的情況，會不會讓我活不下去？”這么想以后，“大部分時候，都能想到可以接受的底線方案”。

相比于出錯，他理清了更重要的事：在全世界只有一個的大科學裝置面前，質量比搶跑更重要。

經歷兩次大型物理實驗后，他變得更理性了。他現在會想，物理學家必須向現實妥協，現實中一定有不可預測、不完美的狀況。

于是，“判斷大小就非常重要。你必須很清楚哪些是大事，哪些是小事，哪些是絕對不容有失的事”，他說?！胺智宕笮　蓖ǔＲ殡S長期的思考?！坝行┦侵庇^的，有些是反常識的。只有把它當成一個問題，長時間、反復思考才會清晰?！?/p>

令曹俊印象深刻的是，JUNO實驗組有國際顧問委員會，每年都會給項目提意見。有好幾次，委員會給他們提出的意見是，“別著急”。

他記得有一封推薦意見是這么說的：“雖然JUNO正式取數比原計劃晚，但第一，這件事本身就很難；第二，即使已經晚了很多，也比美國、日本快?！?/p>

偉大無法規劃

除了要對抗時間，物理學家需要面對現實的時候還有很多。一位江門中微子實驗室的工作人員在接待參觀者時，常被問道：“什么時候出成果？”中國科學院高能所研究人員接受采訪時，經常面臨的問題是，江門中微子研究能否有助于中國拿諾貝爾獎。

曹俊也經常被提問，“科學家花了那么多力氣尋找幽靈粒子，中微子到底有什么用？”

研究基礎科學的物理學家在意的事，與快節奏的現代社會顯得有些格格不入。按照科學家的預計，完成中微子質量測序耗時約六年，加上前期立項、建設探測器花的時間，總共花了18年。這還不是測量中微子的絕對質量，而是弄清楚三種中微子誰最重，誰最輕。即使掌握了質量順序，人類對中微子的了解仍非常少。

根據測量結果，中微子質量可能存在的正反兩種順序

如果脫離科學領域，中微子研究的作用就更模糊了?！爸辽僭诳深A見的將來，中微子不會有實用價值的應用?！辈芸≡谘胍暪澞可险f道。

學物理的人也在面臨著價值拷問。在2025年一次電視節目上，一名學物理的博士生向曹俊提問：“AI如今處理復雜問題的能力非常強，那么此刻，我們做物理的人，是否還具備自己的獨立價值？”

時代不同了，但曹俊沒怎么變。他每天依舊早上八點半到辦公室，一直工作到晚上八點，歐洲科學家就要開始與中國科學家進行線上會議，經常討論到深夜12點。他曾在微博上透露：“我們只要每周工作70+小時從來沒感到hard的人?！?/p>

曹俊

但這位有自己世界的物理學家也發現，年輕一代面臨著與過去全然不同的環境。他們的選擇變得更多，自主性也變強。同時，短視頻等媒介奪走了許多人的專注力，他們還面臨著拿課題、申請基金等現實壓力。

“現在政策鼓勵博士生、博士后申請基金和項目，出發點是好的，結果并不好，反而讓（年輕人）脫離本來該做的事。”曹俊說，“人本來應該是對自然、對物理感興趣。”

一個真正適合研究物理的人，在曹俊眼里，應該擁有真正的好奇心，不是為了發論文，而是為了不斷問下去?！叭绻銓δ骋粋€領域感興趣，就可以不停地做下去，科研是沒有止境的?！睆氖禄A研究的人應該是更簡單的。“不能說奔著一個重大科學發現做事，而是平時的研究就挺有意思，沒有（突破）也過得挺有意思?！?/p>

對待中微子的實驗，他也如此。比起和媒體反復闡述中微子質量測序對于該領域的意義，他更喜歡形容，花費超過十年建起的JUNO，意味著人類擁有了“一個比以前看得遠的眼睛”。他參與撰寫的《江門中微子實驗黃皮書》里寫道，JUNO實驗不僅可以完成質量測序，還能夠對來自太陽、超新星、大氣和地球的中微子開展前沿研究。

正、反兩種中微子質量順序下超新星中微子事例率隨原中子星質量的變化

至于具體能看到什么，科學家也不完全知道。如果此后物理學家發現，中微子無法解釋大爆炸時期宇宙奧秘，那也沒有辦法，“看到什么就應該是什么”。

比起沖擊諾貝爾獎，或者提前完成JUNO的科學目標，曹俊內心更盼望的是，通過JUNO，看見人類此前從未預料的新現象。

“最重要的發現通常是意料之外的。科學突破是無法規劃的?！辈芸≌f。

他解釋，粒子物理有一個標準模型。標準模型可以解釋極微觀世界幾乎所有的物理現象，但仍有不完善的地方?！氨热纾滴镔|放不進去、中微子不知道怎么放……我們最大的希望是通過觀察中微子，給我們提供線索，來突破現有的理論?！?/p>

偉大是無法規劃的。科學家們都在等待意料之外的時刻，一個激發所有人靈感的新現象。新物理或許就藏在人類未知、未觀測到的現象里，比起各類規劃來找確定性，未知才是科學家樂意擁抱的。

硐室輪廓初見雛形時，前方就是實驗大廳/圖源：江門中微子實驗室

回到學生問到物理的價值問題。曹俊思考了片刻，回答道：“你說得很對，從短距離來看，AI可以把很多問題執行得很好?！?/p>

他說：“但AI不知道該往哪里走；從長遠來看，只有清楚物理的人，才知道我們的目標——做這個實驗當初是為了干什么？”

在社交賬號上，這個樂觀的物理學家喜歡引用米蘭·昆德拉的話：“我對你透露一個大秘密，這是人類最古老的玩笑。往哪走，都是往前走?！?/p>

本文首發于《南風窗》雜志第14期

作者 |朱秋雨

發自北京、廣東江門

編輯 |黃茗婷

值班主編 | 吳擎

排版 | 阿車