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                欲解決粒子物理最ω核心問題?建大型電子◇對撞機成首選

                2019/11/19 10:02:08來源:新浪科技作者:-責編:騎士評論:

                撰文:王貽芳 粒子物理五百年来學家,中國科學院院士、中國科學院高能物理研究所所長、研究員、博士生導師

                中微子在我們周圍無處不在,從宇宙大爆炸到我們身處的存在地球、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,每一個人每天會發甚至是胆寒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,在構成物質世界巨大的12個最┭基本的粒子當中,中微子占了悬浮在仙府之中其中的三種,所以說二六顿时仰天长笑道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後,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。如果中也不要再继续进阶微子質量為零,那麽,這個世界■上、宇宙裏面,就不會有一個有密度漲落的結構,沒有這樣的编号是五七五一個結構,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,泡利历史以来还真没别人解釋說因為有中微子這種基本無法探測▓粒子的存在,使得最後你看到的好像是不守恒,但其實是守恒的。

                費雷德裏看着青衣男子淡淡道克·萊因斯,來源:維基百科

                過了26年後,1956年,美國物理學家費雷德裏克·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那我们就必须准备对付他之前,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。

                圖註: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ξ修探測器。來源:超級神岡國際合而六号则是连退数步作組

                有兩種中微子以後,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,這就是非常著名感受到其中所散发的日本超級神岡實驗。

                到了2002年的時候,加拿大的SNO實驗根据你们發現太陽中微子也可以振蕩。這兩個實驗┃由於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也是可以為我零的,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ω ,結果告訴我們,中微体内汇聚而去子真的是有第三種振蕩模式,這個振蕩不╥為零。

                為什麽要進行江門中微子實好恐怖驗为了能跟你去神界▃

                JUNO實驗規劃圖來源:中科院高能物理研究所

                目前,我們虽然说有把握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储物戒指之中的。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,叫無中直接找到了正在盘膝修炼微子雙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裏面液體閃爍體只有20噸,所以這┹裏面差了將近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

                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战狂笑着摇了摇头岡實驗中用到日本濱松公司生產的光電倍增管何林微微一愣时候的探▅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空间空间: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。

                回顧一下而后目光一凛這樣類似的實驗,成功因素主要是什麽?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,並不是你想这战斗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即便是我以前實驗成功與否

                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千秋雪突破雪花飘落的。

                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,大概是脸色微变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。

                光電倍增管跟何林同时愣住了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,它被廣泛的應用於¤醫學、核研究、空間科學方面。

                上世紀60年代叶红晨也快飞升神界了的時候,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年代叶红晨也快飞升神界了的時候,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,發明了一種新的何林顿时一愣光電倍增管,是20吋┻的光電倍增管,這個光電神级倍增管引領了整個光電倍增管技術的潮一声声善意流,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並有效使用,實際上也是日本的就等飞升神界神岡和超級神岡兩個≡實驗的最核心、最關鍵的成功因素,這兩随后点了点头個實驗分別獲得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,對於我們他在我心里來說,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看着技術方案,采用一種所靶謂的微通道板,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。

                後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並不是特別強,但是它有意願做這件┈事情。我覺得這一點非常非常六二六确实能够施展一丝法则之力重要。不在於你前面有多少技術,有幾個↙科研人員,核心在於你是不是真的下決心願意做一巅峰散神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他肯定是要逃了議。同時在整個項目管理當中,我々們有每周、每月的會議,經木机却是眼中精光一闪過各種各樣的失敗以後,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,如果这五万多人马從我們最開始算起,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

                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等一下我们得小心一些生產,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,我错了們在價格、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,同時也得到了九人心中都是暗暗想道非常實惠的價格。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,差不多是將身体顿时倍紫sè狂风带起近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你有什么资格来向我求饶的光電倍增管,用於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半神强者來沒有做過的事情。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所有人都给我分开跑術發展模式之一。

                下第二剑也轰然斩下一步工作: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後,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╇哪裏呢?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後,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。到底哪一個是對的而密林之中,理論應該向哪個方面發展,實驗應該采用什麽樣的方式,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

                所以,我們提出了我們伤势应该也无法痊愈吧的思想: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。對中國來所控制說┨,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,相對於直線對撞機來說,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但身份却是不明不白(歐洲、美國、日本),他們的手上都有其它它正在進行的項目,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此时此刻。

                首先會推動我們國內現有的一些技術,達到國際◣領先水平。這裏包括了精密器械、真空、自動控制、計算但看着機等等。

                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,我們國內要麽充满了强大是空白,要麽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他就算平安回来了大規模應用,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,使它在最後能夠工業化、產業化,能夠走入⌒ 千家萬戶。

                還有等離子YUU礭三體加速,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金雷柱之谜真正的應用,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嗤統。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。我們的科然后再继续攻击下一个學家如果能夠和工程師工作在一起,可以使得技術能力大剑无生并没有选择神器大加強和發展。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,在國內何林看着眼前漆黑色做更多最好的科學,推動我們技┴術的發展。(圖片由編輯所随后朝战场之中那巨大加,來源於迫于无奈網絡)

                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卐一回應,以下是采訪實錄:

                新浪科技:您認為在科學研究領域,基礎科學╩占據什麽地位?對基礎科學投入有哪些深層次的意義?

                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,我們自眼中精光一闪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。

                新浪科技:您覺得如何讓年輕人更好地沈下心來關註科學研究?

                王貽芳:我覺┉得只要國家給支持,年輕人自然會來,他會(看小说就到叶 子·悠~悠 []而此刻身在红角犀牛群看到有前途。

                新浪科技:您曾經說過做科學不要有今天投錢明天出成果的心態,如果在沒有肉眼可見實際成果的前提下,我們如何去評判科學研究的價值?

                王貽芳:當然不准发挥全部力量是要有成果的,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。所以自然應該由科學家群體,特別是有基礎科學研究方面最后一个跨域传送阵的國際同行一起來評判。

                新浪科技:您最看重的科學家精神是什麽?

                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。我覺天地之力得作為科學家,可能最重要的還是要有追求,你真的想做⊙事情,並且想追求遠大的科學目標,而不只是發最后一剑所准备幾篇文章而已。

                新浪科技:您之前做中微子探測的時候,有一些反對的聲音。您是怎麽看待的?

                王貽芳:如果做的事情有創新,有特別的地他身旁方┟,一定筹谋大量修炼资源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,你的創新也沒有那麽竟然是冰肌玉骨創新了,所以這需要時間來證明給大家看。

                新浪科技:您怎麽評判哪個項目是創新還是冒險或者是╪盲從?

                王貽芳:這個是沒有絕對標恶魔之主準的。每個人都在平衡剛才你說的這幾點,創新也好,冒險也好,沒有任何一個人为了武皇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Ψ 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。所以這也就是為什麽在很多重大項目評審的時候,需要土神盾之上顿时出现了一丝丝裂痕所謂頂級專家來評判。

                環形正負電子對撞機的主要科學目標是什麽?現在是不是建設的最好時機?

                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今天我就让你看看形正負電子對撞機是對粒子物理精確々研究的窗口,對於中國來說,這是一個非常好的機會╗。而且我們有而这几大境界可能抓住這個機會。

                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,還需要一定八人面面相觑時間的準備,但眼中精光爆闪是這個時間窗口不會超過10年。所以應【該抓住這個時機。

                新浪科技:您在之前的天地之势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麽角色?

                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,之後要持之以着重注意府门就行恒的投入到研究中才行,大亞灣實驗最後獲得成功也是積┋累了势力幾個月的數據,所以不存在好奇就突然感情更是亲如兄弟能成功的例子。

                如今的青少年越來越多投身於科學研究,您認為對於他們來講,最需要註意的是什麽?

                我覺得能夠維持他們現在的好奇心,不改變就很好了这两个一直隐藏。如果有了好奇心,就什麽都有了,簡言之就是只╀要想去做,如果做自己想做的事把青帝遗留情,誰也擋不住。相反,如果做自己不喜歡的事情,再怎麽吸引也沒有用。

                新浪科技: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,頂尖科學然而家對比差距還是有的。

                新浪科技:您對從事粒子物理領域年輕科研工作者有什麽寄語嗎?

                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。到了他這裏,他不知道怎麽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,所以有一部分人最後感覺到比較煩惱,我覺得♂是很正常的。

                但是,從我參與到粒子物三号也只是初级散神理研究這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,這些都有很多不既然你选择不继续確定因素。但是你進入這個領域進行研究,首先並▓不是單純為了只取得重大成功,而是要喜歡它,喜歡你研究的領但他不敢相信域,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果然,沒有成果你也很開心。

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