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建大型電子對撞機是解決粒子物理最核心問題成首選?

2019-11-20 09:03:01  來源:新浪科技

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、太陽等等,都有中微子。其實我們每一個人本身也是中微子源,每一個人每天會發射出三億四千萬個中微子。

中微子在整個物理學當中起著非常重要的作用,在構成物質世界的12個最基本的粒子當中,中微子占了其中的三種,所以說中微子是構成物質世界最基本的單元,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,到現在為止我們甚至連中微子質量到底是多少都不清楚,我們只能確定中微子有一點點質量。中微子在宇宙當中數量非常多,在整個宇宙當中大約每立方厘米有300個,所以中微子如果有一點點質量,它對我們整個宇宙的起源、演化、宇宙大結構的形成都會起非常重要的作用。

在大爆炸的早期,宇宙是非常均勻的,有一點點所謂的質量密度漲落,才能形成宇宙大的結構,宇宙大的結構形成以后,才會有銀河系、太陽、地球,以及人類。

所以,人類能否存在跟中微子質量到底是多少有很大關系。如果中微子質量為零,那么,這個世界上、宇宙里面,就不會有一個有密度漲落的結構,沒有這樣的一個結構,自然銀河系和人類就不會存在。

中微子研究史

中微子是1930年由著名科學家泡利提出來的,為了解決在微觀世界中能量和動量不守恒的問題。科學家在實驗當中發現能量動量不守恒,泡利解釋說因為有中微子這種基本無法探測粒子的存在,使得最后你看到的好像是不守恒,但其實是守恒的。

費雷德里克·萊因斯,來源:維基百科

費雷德里克·萊因斯,來源:維基百科

過了26年后,1956年,美國物理學家費雷德里克·萊因斯和克萊德·科萬在實驗上發現了中微子,萊茵斯因此得到了1995年的諾貝爾獎。

1962年,科學家發現其實不只有一種中微子,還有兩種中微子。其實在第二種中微子發現之前,有一位科學家就建議中微子和反中微子可能發生振蕩,從一種中微子變成另外一種中微子。

圖注:超級神岡探測器內部。墻壁上為光電倍增管,每個直徑半米。工作人員劃著小船檢修探測器。來源:超級神岡國際合作組

圖注:超級神岡探測器內部。墻壁上為光電倍增管,每個直徑半米。工作人員劃著小船檢修探測器。來源:超級神岡國際合作組

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生振蕩。又過了40年,在1998年,日本科學家發現在大氣中微子當中,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實驗發現太陽中微子也可以振蕩。這兩個實驗由于發現中微子振蕩而獲得了諾貝爾獎。

截止2002年,我們看到有兩種中微子振蕩,但從物理上來說,三種中微子應該是有三種振蕩,所以當時的問題就是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,說這個θ13也是可以為零的,作為物理學家,我們就希望知道這到底是為零還是不為零。

我們在2003年提出實驗規劃,到2012年得到了結果,結果告訴我們,中微子真的是有第三種振蕩模式,這個振蕩不為零。

為什么要進行江門中微子實驗

JUNO實驗規劃圖 來源:中科院高能物理研究所

JUNO實驗規劃圖 來源:中科院高能物理研究所

目前,我們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已提出來的。它是為了研究中微子的質量順序、精確測量中微子的振蕩參數、天體中微子(比如說超新星中微子、太陽中微子、地球中微子等等)。

同時,我們也希望尋找一種完全新的衰變,叫無中微子雙β衰變,確定反中微子是否就是中微子自己本身,在粒子物理學當中,這是一個非常重要的研究目標。

為了實現這個目標,我們需要建設一個大探測器,需要2萬噸的液體閃爍體。上文提到的大亞灣實驗里面液體閃爍體只有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。

江門中微子實驗探測器示意圖 來源:中科院高能物理研究所

江門中微子實驗探測器示意圖 來源:中科院高能物理研究所

同時,需要把探測器的光收集提高5倍,這比之前有了巨大提升。為此我們要把探測器液體的透明度提高將近2倍,還有一個非常重要的技術要求就是要把我們探測光子的設備,光電倍增管的探測效率提高2倍,也就是和過去在超級神岡實驗中用到日本濱松公司生產的光電倍增管的探測效率要提高2倍。

所有的技術要求加起來,產生一個巨大的問題: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。

回顧一下這樣類似的實驗,成功因素主要是什么?雖然設計思想、方案執行、國際合作等因素都很重要,但是我們認為突破關鍵技術的能力,在所有因素當中應該是最重要的。關鍵技術需要長期的積累,并不是你想做就一定能夠做出來。

所以發展關鍵技術、積累關鍵技術,在基礎研究中起了一個非常核心關鍵的作用。

第一個,液體閃爍體。當時國際上有很多類似的實驗,之前的失敗很多,所以發展出自己的液體閃爍體技術是我們大亞灣實驗最重要的要求,非常幸運我們當時做成了。

第二個,光電倍增管。當時我們是從日本濱松公司買的,買了大概2000多個。

20吋光電倍增管關系著實驗成功與否

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,這些關鍵技術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,所以我們認為應該是沒有問題的。

第二個光電倍增管,如果從濱松公司買的話指標差2倍,不夠,另外,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,一個核心關鍵問題就是要自己發展光電倍增管。

光電倍增管就是把我們看到的光子轉換成電子,再把電子放大差不多10的7次方倍。這種設備實際上是在上世紀30年代發展出來的,它被廣泛的應用于醫學、核研究、空間科學方面。

上世紀60年代的時候,中國當時有兩個工廠能夠生產光電倍增管,但是非常可惜,到90年代的時候,在市場經濟大潮當中,它們都失去了競爭力。

中國應該說生產5吋以上的光電倍增管能力是完全沒有的,日本的濱松公司在80年代的時候,發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了整個光電倍增管技術的潮流,使得日本濱松公司成為世界上最好的光電倍增管生產企業。

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、最關鍵的成功因素,這兩個實驗分別獲得2002年、2015年的諾貝爾獎。

上圖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,發展出全新的20吋光電倍增管呢?實際上在這個研究領域,很多人都非常希望發展全新的光電倍增管,特別是提高它的探測效率。

一直到2010年,我們準備開始這個實驗的時候,幾乎是沒有成功的。我們當時提出了一個全新的技術方案,采用一種所謂的微通道板,來代替一般光電倍增管當中用的電子放大器件,通過這個技術我們可以提高光的探測效率。

我們第一次找了一家研究所,過了3年時間,這個探索完全失敗,做出來的光電倍增管沒有達到要求。

后來我們找了另外一家企業:北方夜視技術股份有限公司,這家企業技術能力其實當時并不是特別強,但是它有意愿做這件事情。我覺得這一點非常非常重要。不在于你前面有多少技術,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,預先討論了未來的收益分配方式,通過這個我們避免了將來可能產生的一些爭議。同時在整個項目管理當中,我們有每周、每月的會議,經過各種各樣的失敗以后,最終我們獲得了成功。

上圖都是我們做廢掉的光電倍增管,又經過4年努力,如果從我們最開始算起,共經過了8年的努力,我們得到了全新的、非常好的、達到要求的樣管。

自主研發的20吋光電倍增管 來源:中科院高能物理研究所

自主研發的20吋光電倍增管 來源:中科院高能物理研究所

這時,我們有一個問題,達到要求的樣管對企業來說也只是樣管而已,它有沒有能力做批量生產,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,我們當時做了一個非常艱難的決定:從北方夜視購買15000個,從日本的濱松購買5000個,這樣的話,我們在價格、性能、風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,同時也得到了非常實惠的價格。如果沒有競爭,大概率不會有我們最終的這個結果,這15000個光電倍增管,差不多是將近3億人民幣的產值。

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,北方夜視也得到了不斷地發展,現在他們也在給其它實驗提供光電倍增管,同時也在給空間和核探測的應用方面提供微通道板和光電倍增管。最近它建設了一個很大的研究中心來研究新的光電倍增管,用于醫療儀器設備和工業應用方面。

北方夜視從原來純粹的生產微通道板的一個企業,發展成為一個具有很好研發能力的一個高科技公司。跟我們科學家合作,他們學會了如何做前人從來沒有做過的事情。科學家和工程師在訓練方面有本質的不同,兩者結合是最理想的技術發展模式之一。

下一步工作:解決粒子物理當中最核心的問題

在我們江門中微子實驗以后,其實我們面臨另外一個問題:高能物理是不是能夠站在世界舞臺的中央,換句話說,我們是不是在研究、探討、解決粒子物理當中最核心、最根本的問題?

我們粒子物理現在的核心問題在哪里呢?我們其實面臨了一個轉折點,在我們已經完成了粒子物理標準模型的建立,所有的粒子都被發現了之后,下一步該往哪兒走。

從很多跡象來看,我們需要一個超出標準模型的新物理體系。到底哪一個是對的,理論應該向哪個方面發展,實驗應該采用什么樣的方式,這個是我們面臨的重大問題。

由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產生時的景象。它是通過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成的。來源:維基百科

由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯玻色子產生時的景象。它是通過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成的。來源:維基百科

所以,我們提出了我們的思想:建設一個大型的環形正負電子對撞機(簡稱:CEPC),它能產生一百萬個希格斯粒子。這個想法在國際上得到很好的認可,成為未來發展的首選。對中國來說,這是一個理想選擇,是能夠引領世界基礎物理研究最好的機會。因為:

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,希格斯粒子質量不是特別重,環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形希格斯粒子工廠。

第四,環形正負電子對撞機剛好是我們會做的,我們有30年的北京正負電子對撞機的經驗。

同時,就像我們剛剛說的,這樣一個裝置也會在技術上給我們帶來很多機會。

首先會推動我們國內現有的一些技術,達到國際領先水平。這里包括了精密器械、真空、自動控制、計算機等等。

其次會使國內現在空白的一些關鍵技術達到國際先進水平,比如說大功率的微波器件,大型的低溫制冷設備、超導磁鐵、專用集成電路等。

這些方面,我們國內要么是空白,要么是在國際上基本沒有影響力,我們希望自己的大型科學裝置成為國產設備的第一個用戶,來給它一個機會,讓它成長,成為國際領先的企業。

第三是有可能發展出一些革命性的全新的技術。比如說高溫超導到目前為止還沒有實現大規模應用,主要還是因為性價比不夠。我們需要有一個全新的引領,把這個技術發展起來,使它在最后能夠工業化、產業化,能夠走入千家萬戶。

還有等離子體加速,我們現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,會使我們未來的加速器更小、更便宜。國際上等離子體加速器還沒有真正的應用,我們希望第一個把等離子體加速器給用上。

事實上我們在CEPC設計當中已經是世界上第一個把等離子體加速器用上的加速系統。在CEPC的發展當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。事實上我們和工業界的合作已經開始了,我們的CEPC產業促進會目前有將近70家企業,我們合作開發各種各樣的技術、發展各種各樣的新手段和能力。

大型的科學設施實際上是我們技術發展的最好觸發和推動。我們的科學家如果能夠和工程師工作在一起,可以使得技術能力大大加強和發展。國內的需求是我們高科技企業發展所需要的最重要的初始推動力,沒有這個第一步,很多高科技企業沒有機會。

我們希望能夠得到大家的支持,產生更多國內的需求,在國內做更多最好的科學,推動我們技術的發展。(圖片由編輯所加,來源于網絡)

2019年11月17日,在2019未來科學大獎頒獎典禮上,王貽芳接受了新浪科技等媒體的采訪,就基礎研究、對撞機建設、中微子探測等問題進行一一回應,以下是采訪實錄:

您認為在科學研究領域,基礎科學占據什么樣的地位?

王貽芳:基礎科學是所有科學的基礎,所以非常重要。過去我們對基礎科學采取的是拿來主義的方針,基本上都是學國外的,我們自己的貢獻相對來說比較少。跟我們這樣一個大國以及所處的經濟地位不是很匹配。在未來,我們還是應該增加對基礎科學投入,希望能夠有更多的基礎科學方面的重大成果,同樣對國際社會能夠有更多的貢獻。

您覺得如何吸引年輕人來從事基礎科學研究?

王貽芳:我覺得只要國家給支持,年輕人自然會來,他會看到有前途。

做科學如果沒有肉眼可見的實際成果怎么辦?我們如何去評判科學研究的價值?

王貽芳:當然是要有成果的,不可能投錢進去,一點都沒有所謂的成果!這個成果不是社會大眾所理解的成果,也不是讓你立刻看到效果的成果,而是讓科學家群體自己來判斷投入有沒有產出,不同領域或者研究方向,它所謂的成果和效益是不一樣的。所以應該由科學家群體,特別是有基礎科學研究方面的國際同行一起來評判。

新時代的科學家精神包括愛國、創新、求實、奉獻、協同、育人等,您最看重哪一點?為什么?

王貽芳:我覺得都很重要。你要說哪一點可以忽略,好像都不合適。我覺得作為科學家,可能最重要的還是要有追求,你真的想做事情,并且想追求遠大的科學目標,而不只是發幾篇文章而已。

您之前做中微子探測的時候,有一些反對的聲音。您是怎么看待的?

王貽芳:如果做的事情有創新,有特別的地方,一定是大部分人沒有想到的,所以有人反對很正常。如果大家都想的跟你一樣,你的創新也沒有那么創新了,所以這需要時間來證明給大家看。

接著上一個問題,您怎么評判哪個項目是創新還是冒險或者是盲從?

王貽芳:這個是沒有絕對標準的。每個人都在平衡剛才你說的這幾點,創新也好,冒險也好,沒有任何一個人能絕對保證把這些因素平衡的恰到好處。所以需要經驗,當然也要看具體工作的方式、方法、內容等等,通過這個過程來評判,可能一些有經驗的專家,在這個過程當中能夠看出一點一點端倪來的。

但是,一般的人或者不是這方面專家大概很難評判。所以這也就是為什么在很多重大項目評審的時候,需要所謂頂級專家來評判。

您覺得現在是不是建設環形正負電子對撞機的最好時機?為什么?

王貽芳:目前來看,全世界的粒子物理學家絕大部分人都同意建造環形正負電子對撞機是對粒子物理精確研究的窗口,對于中國來說,這是一個非常好的機會。而且我們有可能抓住這個機會。

另一方面是我們有這方面的基礎技術積累,綜合各方面來看,目前是我們推動正負電子對撞機的最好時機,當然不是說明天就開建,還需要一定時間的準備,但是這個時間窗口不會超過10年。所以應該抓住這個時機。

您在之前的演講中多次提到好奇心這個詞。 您認為它在科學研究中扮演什么角色?

王貽芳:我們日常所有的科學研究,都是要由好奇心來驅動的,但是好奇心只是一個開始,之后要持之以恒的投入到研究中才行,大亞灣實驗最后獲得成功也是積累了幾個月的數據,所以不存在好奇就突然能成功的例子。

如今的青少年越來越多投身于科學研究,您認為對于他們來講,最需要注意的是什么?

王貽芳:我覺得能夠維持他們現在的好奇心,不改變就很好了。如果有了好奇心,就什么都有了,簡言之就是只要想去做,如果做自己想做的事情,誰也擋不住。相反,如果做自己不喜歡的事情,再怎么吸引也沒有用。

中美在基礎科研領域有沒有差距?有多大差距?

王貽芳:中美在基礎研究領域中,不同的領域差距不一樣。我認為基礎科學研究領域差距要大一些,大科學領域差距就更大一些,因為我們過去對大科學領域投入太少,規模太小,相比較起來,差距就比較大。小一點的科學,相對來說在儀器設備上差距比較小。人才方面可能有一些差距,頂尖科學家對比差距還是有的。

有些年輕的科研工作者對如何選擇研究方向、如何取得成績感到迷茫,您對從事粒子物理領域年輕科研工作者有什么寄語嗎?

王貽芳:每一代的科學家,在年輕的時候大概都有這種煩惱,看到前人都取得了很大的成果。到了他這里,他不知道怎么樣能取得跟前人一樣的成就,我覺得這是很正常的,因為最終取得大成就的畢竟是少數人,不可能每一個進入這個領域的人都能取得重大成果,所以有一部分人最后感覺到比較煩惱,我覺得是很正常的。

但是,從我參與到粒子物理研究這30年來看,我也參與到一些重大發現的時刻。所以科學發現不會停止的,而你會參與到那些重大成果的研究中去?這得看你自己的人生道路的選擇,研究的課題,選擇的導師等等,這些都有很多不確定因素。但是你進入這個領域進行研究,首先并不是單純為了只取得重大成功,而是要喜歡它,喜歡你研究的領域,如果你有好奇心,那你就會不計得失的,你自然會去做的。

因此有成果當然很好,沒有成果你也很開心。

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