摘要:王贻芳,粒子物理学家,在粒子物理实验研究方面做出了多个具有重要国际影响的贡献。他领导的大亚湾中微子实验发现了新的中微子振荡模式,在国际粒子物理界引起热烈反响,被评价为“中国本土迄今为止最重要的物理学成果”,入选美国《科学》杂志2012年全球十大科学突破之一。
王贻芳,1963年2月出生于江苏省南京市;1984年毕业于南京大学物理系原子核物理专业,同年赴欧洲核子研究中心的L3实验深造;1991年获意大利佛罗伦萨大学博士学位,曾在美国麻省理工学院、斯坦福大学工作;2000年入选中国科学院“百人计划”,2001年2月回国,到中国科学院高能物理研究所工作;2002年获基金委“杰出青年基金”,2004年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选;2012年被评为“十佳全国科技工作者”、CCTV十大科技创新人物等,获得第六届周光召基金“基础科学奖”;2013年1月入选中组部“万人计划”杰出人才。
王贻芳是我国粒子物理实验研究的主要学术带头人,现任中科院高能物理研究所所长,北京正负电子对撞机国家实验室副主任,核探测与核电子学国家重点实验室主任,中国物理学会高能物理分会副理事长,中国核学会核电子学与核探测技术分会理事长,亚洲未来加速器委员会副主席,国际未来加速器委员会委员,全球华人物理学会理事。
一、走上国际粒子物理实验的最前沿
1984年,王贻芳从南京大学物理系原子核物理专业毕业,同年为诺贝尔奖获得者丁肇中选中,远赴欧洲核子研究中心参加其领导的L3实验。该实验组汇聚了14国、30多所科研机构的400多名优秀科学家。年轻的王贻芳凭借着天赋和勤奋崭露头角,创造了多项纪录:一年时间内发表3篇论文;1990年出任“新粒子寻找组”组长,是L3实验所有物理分析小组组长中唯一一名博士生;1991年,在被L3实验组内部认为是不可能的情况下,精确测量出了陶轻子的极化。
1992年,他获得意大利佛罗伦萨大学博士学位后,到美国麻省理工学院工作。1996年,王贻芳离开了L3实验组,加入美国斯坦福大学的一个中微子实验项目,并成为其中的骨干人员。虽然这个项目尚在设计阶段、只有20人参加,但王贻芳却认为这是一个理想的平台,可以让他更全面地参与各种类型的工作,以弥补在大型实验中的欠缺。
王贻芳在国外工作17年间,先后参加了L3、AMS、Palo Verde和KamLAND等国际粒子物理最前沿的实验。但是他却没有感到满足和踏实,他最大的愿望就是在中国进行自己的粒子物理实验。2001年,作为中国科学院“引进国外杰出人才”,他心怀梦想来到高能物理研究所工作。回国后的短短十年间,他领导了国内两个最大的粒子物理实验——北京谱仪III实验和大亚湾中微子实验,将中国粒子物理研究推向了新的高度。
二、领导北京谱仪III大型粒子物理实验
在“十五”国家重大科学工程——北京正负电子对撞机重大改造工程中,王贻芳担任了大型粒子探测器北京谱仪Ⅲ分总体的主任,全面负责并领导完成了装置的设计、研制、调试和运行。北京谱仪Ⅲ是北京正负电子对撞机上的大型通用磁谱仪,可以测量正负电子对撞反应产生的次级粒子,为研究物质微观结构的基本组成单元及其相互作用提供事例。在BESIII建设过程中,他坚持自主创新,在大型超导磁铁、阻性板探测器、晶体量能器、铍束流管等研制上实现技术突破, BESIII于2009年正式开始运行,性能达到国际先进水平。
王贻芳制定实验的科学目标,组织物理分析工作,组建近300名来自11个国家的50个大学或研究所的科学家参加的北京谱仪Ⅲ国际合作组,并担任发言人至2011年。BESIII实验在轻强子谱和粲偶素物理等方面处于国际领先地位,发现了一系列新粒子和新现象。2013年3月,实验组宣布发现四夸克态新粒子Zc(3900),很可能是科学家们长期寻找的超出传统夸克模型的奇特强子,引起科学界广泛关注,《自然》等多家科学杂志刊登报道,认为这是一个非常令人兴奋的发现。
三、挑战中微子物理领域的世界难题
中微子是构成物质世界最基本的粒子之一,共有三种,之间可以相互转化,称为中微子振荡。理论上应该有三种振荡模式。前两种振荡已经被实验发现,并获诺贝尔奖。第三种振荡对应中微子混合角θ13,关系到中微子物理的未来发展,并且与宇宙起源中的“反物质消失之谜”有关,但是一直没有被发现,是中微子物理领域的世界难题。
2003年,国际上先后有7个国家提出了8个利用反应堆运行时产生的中微子测量θ13的实验方案。王贻芳果断抓住了这个中国粒子物理研究跨越式发展的机遇,原创性地提出在大亚湾附近的山体内建造中微子探测器的实验方案,首次提出多模块冗余测量思想、采用反射板的探测器设计以及一系列降低系统误差的办法,使大亚湾中微子实验的设计精度在同类实验中最高,引起了国际上的广泛关注。他率领团队完成了实验的设计与论证,组建了由中国大陆、香港、台湾,美国,俄罗斯,捷克等六个国家和地区的34个研究单位、300多位研究人员参加的大型国际合作组,并担任国际合作组的发言人和实验工程的项目经理,全面负责实验的科学研究、样机研制、工程设计和实际建造。
大亚湾中微子实验2007年10月动工建设;2010年12月安全完成核电站附近全部二千多次爆破,建成全长3000米的地下隧道和5个地下实验厅;2011年12月完成了探测器的建造与安装,远、近点探测器同时投入运行。王贻芳率领解决了建设中的大量关键难点,采用了许多新概念、新方法、新材料和新工艺,使探测器的性能达到国际最好水平。
为了在激烈的国际竞争中胜出,他决定修改计划,以8个中微子探测器中的6个提前取数。利用55天观测到的中微子事例,大亚湾实验发现了一种新的中微子振荡,并以前所未有的精度,测得其振荡几率为9.2%,误差为1.7%,无振荡的可能性仅为千万分之一。
大亚湾实验的结果一经宣布立即引起了国际粒子物理学界的强烈反响,认为这一结果“打开了未来中微子研究的大门”,为未来中微子物理的发展指明了方向。诺贝尔奖获得者李政道、卡罗卢比亚、杨振宁及多个国际著名实验室领导人发来贺信,国际主要科学杂志均发表报道和评论。李政道称“这是粒子物理中极基本、极重要的参数”。2012年底,这一成果入选美国《科学》杂志2012年度十大科学突破。据不完全统计,自2012年4月论文发表于美国《物理评论快报》(Physics Review Letter,Vol.108, No.17)以来,已获引用600多次。
四、对科学的追求永无止境
王贻芳还在不断地挑战更高的科学目标。2008年,他提出用反应堆中微子测量中微子质量顺序,逐渐发展成为我国中微子的未来发展方向-江门中微子实验,现已有美国、意大利、法国、德国、俄罗斯等多个国家和地区的科研机构表达了合作的意向。为满足实验需要,提高探测器性能,他设计了一种新型的光电倍增管,获得了中国和美国发明专利授权。他还发起组建了新型光电倍增管研制合作组,以实现这种新型光电倍增管的产业化,为江门中微子实验奠定基础。
为推动我国中微子研究的未来发展,他还组织设计了一种新型中微子工厂,以测量中微子CP相角。他还提出了建造环形正负电子对撞的“希格斯工厂”,该设施可以发展成为大型质子-质子对撞机,真正实现国际领先,成为中国高能物理发展的重大机遇。
作为中国科学院高能物理研究所的所长,他更勾画出把高能所打造为国家大型综合性科学研究中心的蓝图,希望高能所的基础科学研究站在国际前沿,为人类文明作贡献;并满足国家战略需求,建设大型科学研究平台,如同步辐射装置、散裂中子源装置、加速器驱动的核废料处理系统、空间卫星等;同时将掌握的技术转移转化给社会或企业,为经济和社会发展服务。
从事科研工作近30年来,王贻芳在中微子物理、e+e-对撞物理、宇宙线与天体物理、探测器与数据分析方法等方面发表了科学论文300多篇,主编《北京谱仪的设计与研制》等2部著作,获得“一种光电倍增管”等2项发明专利,培养了20多名研究生。为了让中国站上世界科学巅峰,王贻芳和他的团队仍然奋斗在粒子物理研究的最前沿。他说:“科学研究已经成为我的生活方式,我感觉最大的幸福就是能做事情,能实现科研梦想。”