大奖见证：捕捉“幽灵粒子”的中国赛跑

编者按

2026年，国家自然科学奖迎来70周年。从1956年以中国科学院科学奖金为名首次颁发，到1982年正式更名为国家自然科学奖，作为五大国家科学技术奖之一，它代表着我国自然科学领域的最高荣誉。

时值庆祝中国共产党建党105周年之际，中国科学院档案馆联合中国科学报社、中国科学院相关获奖院属单位，推出《七秩荣光——档案里的国家自然科学奖》专栏，以档案为凭，回溯以中国科学院为第一完成单位的国家自然科学奖一等奖项目，彰显科学价值，重现时代回响，致敬为我国自然科学事业作出卓越贡献的科学家们。

本期获奖课题

2016年度一等奖

“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”

本期档案

▲2011至2021年，大亚湾反应堆中微子实验3号实验厅从开挖、建设、运行到退役撤场的照片。

▲2007年10月13日，大亚湾反应堆中微子实验工程隧道开挖。

▲2012年3月初，大亚湾反应堆中微子实验发现新的中微子振荡模式θ13。

▲2012年3月8日，大亚湾实验成果公布时，李政道先生的贺信。

▲“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”获国家自然科学奖一等奖证书。

本期档案由中国科学院高能物理研究所提供

文章内容

作者：徐可莹（中国科学报社）、王勇涛（中国科学院高能物理研究所）

中微子被称作“幽灵粒子”，质量极轻，几乎不与物质发生相互作用。它会在飞行过程中发生“振荡”，从一种类型转变为另一种类型。

2017年1月，由中国科学院高能物理研究所（以下简称高能所）王贻芳、曹俊、杨长根、衡月昆、李小男等科研人员代表全体团队成员完成的“大亚湾反应堆中微子实验发现的中微子振荡新模式”，获得2016年度国家自然科学奖一等奖。

大亚湾反应堆中微子实验是我国粒子物理领域里程碑式的科研项目。这项成果的问世，意味着我国在全球竞争激烈的粒子物理赛道上，实现了从跟跑到并跑、领跑的跨越。

从2003年提出大亚湾反应堆中微子实验原创方案，历经论证、立项、建设，再到2012年成果发布，透过档案记载，我们得以穿过万众瞩目的高光时刻，回溯这项重大科学发现背后，科研团队漫长的论证、博弈与坚守。

01

全球赛道开启

时间回到21世纪初。彼时，国际粒子物理学界正在追逐一个重大科学谜题——测量中微子振荡参数θ13。为此，全球有7个国家提出测量实验方案，几乎同时开启了这场科学竞速。

中微子的三种振荡模式分别对应三个混合角：太阳中微子振荡对应混合角θ12，大气中微子振荡对应混合角θ23，还有反应堆中微子振荡对应混合角θ13。前两种振荡模式已先后被实验证实，相关成果斩获诺贝尔物理学奖。而θ13对应的第三种振荡模式，是粒子物理标准模型28个基础参数之一。这个参数数值的大小，直接决定后续中微子物理的发展方向，关系到宇宙物质与反物质不对称这一重大科学谜题的解答。

2003年，王贻芳、曹俊等人提出大亚湾反应堆中微子实验原创方案：依托大亚湾、岭澳核电站强大的反应堆中微子源，利用山体屏蔽宇宙射线本底，采用远近点多模块探测器的创新设计，以此实现高精度测量。

方案的雏形，是在越洋电话里一点点“磨”出来的。曹俊回忆，他第一次知道大亚湾实验，是王贻芳在日本KamLAND实验值班时打电话告诉他的。当时王贻芳来不及回国，连夜从日本打电话到美国，让正在费米实验室从事研究的曹俊模拟探测器的形状。曹俊只用了几天就给出结论——方形的不行，圆柱形的可以。

接到回国邀请后，曹俊“连租屋都来不及退，就启程回国”。2003年11月，首次启动大亚湾实验的国际研讨会在香港大学召开。

项目起步阶段，没有现成的专项经费。档案中的早期预研材料记录，当时科研人员只能依靠人才基金加上研究所特批的少量经费，开展选址实地勘测、方案模拟计算。为此，王贻芳、曹俊等都拿出了各自的人才基金。

但工程建设所需的投入高达上亿元，王贻芳只能到处“找支持”。最终，科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会、广东省政府、深圳市政府和中国广东核电集团（中广核）6家单位共同出资1.57亿元。王贻芳后来接受采访时，笑称这是“有六个婆婆”的项目。多方沟通的往来函件，也被完整保存在立项阶段的档案卷宗之内。

2004年1月，第二次大亚湾反应堆中微子实验国际研讨会在北京高能所召开，来自中国、美国、加拿大等国的60余名物理学家参会。他们共同评估了大亚湾实验方案的可行性，多位国外专家表达了合作意愿。

但立项的过程远比想象中艰难。

王贻芳四处游说，却频繁被人质疑。他意识到，必须让方案经受专家们的集体检验。2005年4月，他发起香山科学会议 “中微子振荡与反应堆中微子实验”的专题讨论，专家们围绕在中国建设这一实验的问题连续讨论了两天，最终一致支持。

方案的科学性，还要在激烈的国际谈判桌上接受检验。谈判最胶着的阶段，美方团队提出了不同的实验构想，提议更换站点数量及探测器体量，不断调整方案参数，试图争夺实验的主导权。王贻芳带领团队，拿出经过精细演算与反复校验的全套模型。美方提出了双模块40吨或是单模块90吨探测器的方案，中方都清晰论证：这些方案的测量精度，不及高能所提出的原方案。

数轮方案比拼无果后，美方索性搬出资深学者的履历、成果施压，质疑中方团队的资历。面对压力，王贻芳始终以科学至上回应。

最终，美方调整团队领导，放弃了自身方案，承认中方方案在科学上的显著优势，加入这项由中国科学家主导的大亚湾实验。

经过多轮评审，2006年，大亚湾反应堆中微子实验正式立项，成为当时我国基础科学领域规模最大的国际合作项目，汇集了中国、美国、俄罗斯、捷克等国家和地区共38家机构、270余名科研人员共同参与。这也是中美基础科研领域最大的合作项目之一。

但彼时，全世界多个实验组都已启动，留给中国团队拿下“幽灵粒子”的时间极为紧迫。

02

与时间赛跑

2007年10月，大亚湾反应堆中微子实验正式动工。工程要在核电站周边山体之中，修建总长3公里的地下隧道和3个地下实验大厅，建造8台重达110吨的中微子探测器，因此面临多重现实难题。

首先是地下工程安全。隧道施工紧邻核电站厂区，爆破作业是一个“小心得不能再小心”的细活。按照国家核安全局的批复，爆破作业传导到核岛的震动必须小于0.01g的加速度——大约相当于把检测仪放在1米外，人抬脚后自然落地引起的震动程度。

为确保万无一失，核电站与施工方又约定，震动达到0.007g就停工。为此，施工单位在最坚硬的花岗岩上“像绣花一样爆破”，最小的一次爆破仅使用了200克炸药；炸药运输、施工时间都严格管控，最大限度降低对反应堆运行的扰动，很多爆破作业只排在夜间开展。

而另一个“卡脖子”难题，是掺钆液体闪烁体。这是中微子探测器的核心介质，需要把无机钆元素稳定融合进有机液体，一旦析出沉淀，整个探测器就会失效。国外实验曾有失败的教训，大家都在攻关这一技术。

高能所化学团队反复尝试不同配体，最终找到了异壬酸钆络合物方案，解决了钆在有机液闪中稳定溶解的难题。同时，中方与美国布鲁克海文国家实验室互相交换样品进行交叉测试，反复比对配方性能，最终敲定采用高能所的配方。

与此同时，国际对手也在步步紧逼。

韩国RENO、法国Double Chooz两个同类实验取得了不同程度的进展。为了在国际竞争中抢占先机，高能所项目组作出重要调整：不等全部8台探测器完工，提前投入6台探测器开展取数运行，抢时间采集物理数据。

2011年8月开始，各个实验厅陆续投入取数。从12月底到次年2月，3个实验大厅同时投入运行，共采集了55天的数据，成为这项重大科学发现的数据基础。与此同时，科研团队开展了高强度的数据分析工作。

经过项目组的反复验算、调试及严谨的数据分析，确凿的信号逐渐浮出水面：中微子第三种振荡模式真实存在。

2012年3月8日14时，大亚湾实验国际合作组在北京高能所召开发布会，正式对外公布发现θ13中微子振荡新模式，结果的统计置信度达到5.2标准偏差，该振荡不存在的概率仅为千万分之一。当天，物理学家李政道专门为此写下贺信，信中写道：“最热诚的恭贺！在您们领导下，很精确地测量了theta one-three，这是粒子物理中极基本、极重要的参数！”仅仅20多天之后，韩国RENO实验也发布了相近的观测结果。

这项成果后来入选《科学》杂志“2012年度十大科学突破”。过去，我国粒子物理重大发现大多依托国外大科学装置，而大亚湾实验，实现了在中国本土大科学装置上产出世界级基础物理重大突破。

大亚湾实验装置并未在2012年拿到“大结果”后就停止取数。在后续的运行周期中，探测器持续采集数据，把sin²2θ13测量精度从最初的20%不断提升至2.8%，同时实现|Δm²ₑₑ|的直接测量，取得反应堆中微子能谱测量、惰性中微子参数限制等一系列计划之外的重要成果，持续保持该领域的国际领先水平。

03

建造一座“科学宫殿”

从2012年成果发布到2017年登上人民大会堂的领奖台，大亚湾实验又经历了近5年时光。高能所档案室保存的国家自然科学奖一等奖档案记录了这一历程：成果论文、国内外同行评价及第三方验证材料、评审意见等材料不断被扩充进来。

2017年1月9日，王贻芳代表团队接过这份沉甸甸的荣誉证书——他代表的，是270余人的庞大团队。值得注意的是，此前，大亚湾实验首篇发现论文的SCI他引数已接近700次，在2011年后发表的粒子物理论文中位居前列，获得全球同行的广泛引用与高度认可。

在国家自然科学奖一等奖之前，团队已经捧回过一项国际大奖。

北京时间2015年11月9日，2016年科学突破奖获奖名单在美国加州硅谷揭晓。王贻芳、美国伯克利国家实验室教授陆锦标及大亚湾中微子实验团队获得基础物理学突破奖，与日本KamLAND、加拿大萨德伯里中微子观测台、超级神冈、T2K共5个中微子研究团队共享总额300万美元的奖金。这是中国科学家和以中国科学家为主的实验团队首次获得这一被称为科学界“第一巨奖”的奖项。

2020年12月，大亚湾反应堆中微子实验正式退役。作为一项运行近9年的大科学实验，它成功实现了第三种中微子振荡模式的精确测量，也锻炼出了一支成熟的中微子研究队伍；研究人员在探测器研制、液体闪烁体技术、大型地下实验工程等方面积累的关键经验，随后被直接应用于江门中微子实验，中国的中微子物理研究由此继续向前推进。

很多人会觉得，基础物理的重大突破往往来自瞬间的灵感“爆破”。但透过档案材料，我们看到更多的，是数年的选址勘测、反反复复的方案评审、克服核安全约束的地下工程、材料配方上千次的比对调试......以及面对国际竞争时，整个团队的漫长坚守。

王贻芳后来也坦言，这场战役打得并不轻松：“如果当初稍微晚一些，整个实验就打了水漂。”但大亚湾人就是在这样的艰苦环境中，在这样的竞争压力下，化身“一群勤劳的蚂蚁”，争分夺秒、竭尽全力地建造出了一座令世界叹为观止的“科学宫殿”。

（支持单位：中国科学院高能物理研究所）

来源：中国科学报