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欲解决粒子物理最核心问题?建大型电子对撞机成首选

时间:2019-11-19 10:01:42 来源:科学大家 评论:澳门威尼斯人注册手机版下载 点击:0
  中微子在我们周围无处不在,从宇宙大爆炸到我们身处的地球、太阳等等,都有中微子。其实我们每一个人本身也是中微子源,每一个人每天会发射出三亿四千万个中微子。

  中微子在整个物理学当中起着非常重要的作用,在构成物质世界的12个最基本的粒子当中,中微子占了其中的三种,所以说中微子是构成物质世界最基本的单元,我们需要把它研究清楚。

  但是非常不幸,我们对中微子的了解非常少,到现在为止我们甚至连中微子质量到底是多少都不清楚,我们只能确定中微子有一点点质量。中微子在宇宙当中数量非常多,在整个宇宙当中大约每立方厘米有300个,所以中微子如果有一点点质量,它对我们整个宇宙的起源、演化、宇宙大结构的形成都会起非常重要的作用。
 

  在大爆炸的早期,宇宙是非常均匀的,有一点点所谓的质量密度涨落,才能形成宇宙大的结构,宇宙大的结构形成以后,才会有银河系、太阳、地球,以及人类。

  所以,人类能否存在跟中微子质量到底是多少有很大关系。如果中微子质量为零,那么,这个世界上、宇宙里面,就不会有一个有密度涨落的结构,没有这样的一个结构,自然银河系和人类就不会存在。

  中微子研究史

  中微子是1930年由著名科学家泡利提出来的,为了解决在微观世界中能量和动量不守恒的问题。科学家在实验当中发现能量动量不守恒,泡利解释说因为有中微子这种基本无法探测粒子的存在,使得最后你看到的好像是不守恒,但其实是守恒的。
 

  过了26年后,1956年,美国物理学家费雷德里克·莱因斯和克莱德·科万在实验上发现了中微子,莱茵斯因此得到了1995年的诺贝尔奖。

  1962年,科学家发现其实不只有一种中微子,还有两种中微子。其实在第二种中微子发现之前,有一位科学家就建议中微子和反中微子可能发生振荡,从一种中微子变成另外一种中微子。
 

  有两种中微子以后,大家修正了这个想法,就是电子中微子和缪子中微子也可以发生振荡。又过了40年,在1998年,日本科学家发现在大气中微子当中,可以有中微子的振荡,这就是非常著名的日本超级神冈实验。

  到了2002年的时候,加拿大的SNO实验发现太阳中微子也可以振荡。这两个实验由于发现中微子振荡而获得了诺贝尔奖。

  截止2002年,我们看到有两种中微子振荡,但从物理上来说,三种中微子应该是有三种振荡,所以当时的问题就是另外一个中微子振荡模式,我们把它叫做θ13,从物理上来说其实有很多所谓的对称性的希望,说这个θ13也是可以为零的,作为物理学家,我们就希望知道这到底是为零还是不为零。

  我们在2003年提出实验规划,到2012年得到了结果,结果告诉我们,中微子真的是有第三种振荡模式,这个振荡不为零。

  为什么要进行江门中微子实验
 

  目前,我们正在推动的一个新实验叫江门中微子实验。江门中微子实验是我们在2008年大亚湾实验完成之前就已提出来的。它是为了研究中微子的质量顺序、精确测量中微子的振荡参数、天体中微子(比如说超新星中微子、太阳中微子、地球中微子等等)。

  同时,我们也希望寻找一种完全新的衰变,叫无中微子双β衰变,确定反中微子是否就是中微子自己本身,在粒子物理学当中,这是一个非常重要的研究目标。

  为了实现这个目标,我们需要建设一个大探测器,需要2万吨的液体闪烁体。上文提到的大亚湾实验里面液体闪烁体只有20吨,所以这里面差了将近1000倍。2万吨的探测器比目前世界上最大的液体闪烁探测器还要大20倍。
 

  同时,需要把探测器的光收集提高5倍,这比之前有了巨大提升。为此我们要把探测器液体的透明度提高将近2倍,还有一个非常重要的技术要求就是要把我们探测光子的设备,光电倍增管的探测效率提高2倍,也就是和过去在超级神冈实验中用到日本滨松公司生产的光电倍增管的探测效率要提高2倍。

  所有的技术要求加起来,产生一个巨大的问题:我们能不能做,或者世界上是不是真的有人能够做这个事情?事实上,在我们提出这个方案的时候,国际上有很多怀疑,认为这样的实验做不出来。

  回顾一下这样类似的实验,成功因素主要是什么?虽然设计思想、方案执行、国际合作等因素都很重要,但是我们认为突破关键技术的能力,在所有因素当中应该是最重要的。关键技术需要长期的积累,并不是你想做就一定能够做出来。

  所以发展关键技术、积累关键技术,在基础研究中起了一个非常核心关键的作用。
 

  第一个,液体闪烁体。当时国际上有很多类似的实验,之前的失败很多,所以发展出自己的液体闪烁体技术是我们大亚湾实验最重要的要求,非常幸运我们当时做成了。

  第二个,光电倍增管。当时我们是从日本滨松公司买的,买了大概2000多个。

  20吋光电倍增管关系着实验成功与否

  所以在江门中微子实验的时候,我们自然还是要问这个问题,这些关键技术我们到底有还是没有。

  第一个液体闪烁体因为我们有了过去大亚湾实验的基础,所以我们认为应该是没有问题的。

  第二个光电倍增管,如果从滨松公司买的话指标差2倍,不够,另外,价钱也是我们不能承受的,大概是我们能够承受价格的2倍以上。

  所以我们觉得这个实验要想成功的话,一个核心关键问题就是要自己发展光电倍增管。

  光电倍增管就是把我们看到的光子转换成电子,再把电子放大差不多10的7次方倍。这种设备实际上是在上世纪30年代发展出来的,它被广泛的应用于医学、核研究、空间科学方面。

  上世纪60年代的时候,中国当时有两个工厂能够生产光电倍增管,但是非常可惜,到90年代的时候,在市场经济大潮当中,它们都失去了竞争力。

  中国应该说生产5吋以上的光电倍增管能力是完全没有的,日本的滨松公司在80年代的时候,发明了一种新的光电倍增管,是20吋的光电倍增管,这个光电倍增管引领了整个光电倍增管技术的潮流,使得日本滨松公司成为世界上最好的光电倍增管生产企业。

  20吋的光电倍增管成功研制并有效使用,实际上也是日本的神冈和超级神冈两个实验的最核心、最关键的成功因素,这两个实验分别获得2002年、2015年的诺贝尔奖。
 

  上图抱着光电倍增管的就是日本的小柴昌俊,他获得了2002年诺贝尔奖。正是在他的推动下,20吋的光电倍增管在日本发展起来了。

  所以,对于我们来说,我们是不是真的能够在中国,发展出全新的20吋光电倍增管呢?实际上在这个研究领域,很多人都非常希望发展全新的光电倍增管,特别是提高它的探测效率。

  一直到2010年,我们准备开始这个实验的时候,几乎是没有成功的。我们当时提出了一个全新的技术方案,采用一种所谓的微通道板,来代替一般光电倍增管当中用的电子放大器件,通过这个技术我们可以提高光的探测效率。

  我们第一次找了一家研究所,过了3年时间,这个探索完全失败,做出来的光电倍增管没有达到要求。

  后来我们找了另外一家企业:北方夜视技术股份有限公司,这家企业技术能力其实当时并不是特别强,但是它有意愿做这件事情。我觉得这一点非常非常重要。不在于你前面有多少技术,有几个科研人员,核心在于你是不是真的下决心愿意做一件前人没有做过的事情。

  所以,我们组成了合作组,建立了全新的合作模式,制定了章程,预先讨论了未来的收益分配方式,通过这个我们避免了将来可能产生的一些争议。同时在整个项目管理当中,我们有每周、每月的会议,经过各种各样的失败以后,最终我们获得了成功。

  上图都是我们做废掉的光电倍增管,又经过4年努力,如果从我们最开始算起,共经过了8年的努力,我们得到了全新的、非常好的、达到要求的样管。
 

  这时,我们有一个问题,达到要求的样管对企业来说也只是样管而已,它有没有能力做批量生产,能不能把我们需要的两万个20吋的光电倍增管都做出来?所以,我们当时做了一个非常艰难的决定:从北方夜视购买15000个,从日本的滨松购买5000个,这样的话,我们在价格、性能、风险的各个方面能做到平衡。

  通过这样的竞争,我们得到了最好的光电倍增管,同时也得到了非常实惠的价格。如果没有竞争,大概率不会有我们最终的这个结果,这15000个光电倍增管,差不多是将近3亿人民币的产值。

  最终的效果非常好,到目前为止我们获得了1万多个满足要求的光电倍增管,北方夜视也得到了不断地发展,现在他们也在给其它实验提供光电倍增管,同时也在给空间和核探测的应用方面提供微通道板和光电倍增管。最近它建设了一个很大的研究中心来研究新的光电倍增管,用于医疗仪器设备和工业应用方面。

  北方夜视从原来纯粹的生产微通道板的一个企业,发展成为一个具有很好研发能力的一个高科技公司。跟我们科学家合作,他们学会了如何做前人从来没有做过的事情。科学家和工程师在训练方面有本质的不同,两者结合是最理想的技术发展模式之一。

  下一步工作:解决粒子物理当中最核心的问题

  在我们江门中微子实验以后,其实我们面临另外一个问题:高能物理是不是能够站在世界舞台的中央,换句话说,我们是不是在研究、探讨、解决粒子物理当中最核心、最根本的问题?

  我们粒子物理现在的核心问题在哪里呢?我们其实面临了一个转折点,在我们已经完成了粒子物理标准模型的建立,所有的粒子都被发现了之后,下一步该往哪儿走。

  从很多迹象来看,我们需要一个超出标准模型的新物理体系。到底哪一个是对的,理论应该向哪个方面发展,实验应该采用什么样的方式,这个是我们面临的重大问题。
 

  所以,我们提出了我们的思想:建设一个大型的环形正负电子对撞机(简称:CEPC),它能产生一百万个希格斯粒子。这个想法在国际上得到很好的认可,成为未来发展的首选。对中国来说,这是一个理想选择,是能够引领世界基础物理研究最好的机会。因为:

  第一,希格斯粒子是目前粒子物理研究未知的一个最重要的窗口。

  第二,希格斯粒子质量不是特别重,环形对撞机是一个理想的希格斯粒子工厂,相对于直线对撞机来说,这是效率更高的一种设计。

  第三,国际上我们很多的竞争对手(欧洲、美国、日本),他们的手上都有其它正在进行的项目,暂时腾不出手来做环形希格斯粒子工厂。

  第四,环形正负电子对撞机刚好是我们会做的,我们有30年的北京正负电子对撞机的经验。

  同时,就像我们刚刚说的,这样一个装置也会在技术上给我们带来很多机会。

  首先会推动我们国内现有的一些技术,达到国际领先水平。这里包括了精密器械、真空、自动控制、计算机等等。

  其次会使国内现在空白的一些关键技术达到国际先进水平,比如说大功率的微波器件,大型的低温制冷设备、超导磁铁、专用集成电路等。

  这些方面,我们国内要么是空白,要么是在国际上基本没有影响力,我们希望自己的大型科学装置成为国产设备的第一个用户,来给它一个机会,让它成长,成为国际领先的企业。

  第三是有可能发展出一些革命性的全新的技术。比如说高温超导到目前为止还没有实现大规模应用,主要还是因为性价比不够。我们需要有一个全新的引领,把这个技术发展起来,使它在最后能够工业化、产业化,能够走入千家万户。

  还有等离子体加速,我们现在的加速器一般都是用磁铁、微波,如果用等离子体加速技术,会使我们未来的加速器更小、更便宜。国际上等离子体加速器还没有真正的应用,我们希望第一个把等离子体加速器给用上。

  事实上我们在CEPC设计当中已经是世界上第一个把等离子体加速器用上的加速系统。在CEPC的发展当中一定会有很多像刚才介绍的光电倍增管一样的成功案例。事实上我们和工业界的合作已经开始了,我们的CEPC产业促进会目前有将近70家企业,我们合作开发各种各样的技术、发展各种各样的新手段和能力。

  大型的科学设施实际上是我们技术发展的最好触发和推动。我们的科学家如果能够和工程师工作在一起,可以使得技术能力大大加强和发展。国内的需求是我们高科技企业发展所需要的最重要的初始推动力,没有这个第一步,很多高科技企业没有机会。

  我们希望能够得到大家的支持,产生更多国内的需求,在国内做更多最好的科学,推动我们技术的发展。(图片由编辑所加,来源于网络)

  2019年11月17日,在2019未来科学大奖颁奖典礼上,王贻芳接受了新浪科技等媒体的采访,就基础研究、对撞机建设、中微子探测等问题进行一一回应,以下是采访实录:

  新浪科技:您认为在科学研究领域,基础科学占据什么地位?对基础科学投入有哪些深层次的意义?

  王贻芳:基础科学是所有科学的基础,所以非常重要。过去我们对基础科学采取的是拿来主义的方针,基本上都是学国外的,我们自己的贡献相对来说比较少。跟我们这样一个大国以及所处的经济地位不是很匹配。在未来,我们还是应该增加对基础科学投入,希望能够有更多的基础科学方面的重大成果,同样对国际社会能够有更多的贡献。

  新浪科技:您觉得如何让年轻人更好地沉下心来关注科学研究?

  王贻芳:我觉得只要国家给支持,年轻人自然会来,他会看到有前途。

  新浪科技:您曾经说过做科学不要有今天投钱明天出成果的心态,如果在没有肉眼可见实际成果的前提下,我们如何去评判科学研究的价值?

  王贻芳:当然是要有成果的,不可能投钱进去,一点都没有所谓的成果!这个成果不是社会大众所理解的成果,也不是让你立刻看到效果的成果,而是让科学家群体自己来判断投入有没有产出,不同领域或者研究方向,它所谓的成果和效益是不一样的。所以应该由科学家群体,特别是有基础科学研究方面的国际同行一起来评判。

  新浪科技:您最看重的科学家精神是什么?

  王贻芳:我觉得都很重要。你要说哪一点可以忽略,好像都不合适。我觉得作为科学家,可能最重要的还是要有追求,你真的想做事情,并且想追求远大的科学目标,而不只是发几篇文章而已。

  新浪科技:您之前做中微子探测的时候,有一些反对的声音。您是怎么看待的?

  王贻芳:如果做的事情有创新,有特别的地方,一定是大部分人没有想到的,所以有人反对很正常。如果大家都想的跟你一样,你的创新也没有那么创新了,所以这需要时间来证明给大家看。

  新浪科技:您怎么评判哪个项目是创新还是冒险或者是盲从?

  王贻芳:这个是没有绝对标准的。每个人都在平衡刚才你说的这几点,创新也好,冒险也好,没有任何一个人能绝对保证把这些因素平衡的恰到好处。所以需要经验,当然也要看具体工作的方式、方法、内容等等,通过这个过程来评判,可能一些有经验的专家,在这个过程当中能够看出一点一点端倪来的。

  但是,一般的人或者不是这方面专家大概很难评判。所以这也就是为什么在很多重大项目评审的时候,需要所谓顶级专家来评判。

  环形正负电子对撞机的主要科学目标是什么?现在是不是建设的最好时机?

  目前来看,全世界的粒子物理学家绝大部分人都同意建造环形正负电子对撞机是对粒子物理精确研究的窗口,对于中国来说,这是一个非常好的机会。而且我们有可能抓住这个机会。

  另一方面是我们有这方面的基础技术积累,综合各方面来看,目前是我们推动正负电子对撞机的最好时机,当然不是说明天就开建,还需要一定时间的准备,但是这个时间窗口不会超过10年。所以应该抓住这个时机。

  新浪科技:您在之前的演讲中多次提到好奇心这个词。 您认为它在科学研究中扮演什么角色?

  王贻芳:我们日常所有的科学研究,都是要由好奇心来驱动的,但是好奇心只是一个开始,之后要持之以恒的投入到研究中才行,大亚湾实验最后获得成功也是积累了几个月的数据,所以不存在好奇就突然能成功的例子。

  如今的青少年越来越多投身于科学研究,您认为对于他们来讲,最需要注意的是什么?

  我觉得能够维持他们现在的好奇心,不改变就很好了。如果有了好奇心,就什么都有了,简言之就是只要想去做,如果做自己想做的事情,谁也挡不住。相反,如果做自己不喜欢的事情,再怎么吸引也没有用。

  新浪科技:中美在基础科研领域有没有差距?有多大差距?

  王贻芳:中美在基础研究领域中,不同的领域差距不一样。我认为基础科学研究领域差距要大一些,大科学领域差距就更大一些,因为我们过去对大科学领域投入太少,规模太小,相比较起来,差距就比较大。小一点的科学,相对来说在仪器设备上差距比较小。人才方面可能有一些差距,顶尖科学家对比差距还是有的。

  新浪科技:您对从事粒子物理领域年轻科研工作者有什么寄语吗?

  王贻芳:每一代的科学家,在年轻的时候大概都有这种烦恼,看到前人都取得了很大的成果。到了他这里,他不知道怎么样能取得跟前人一样的成就,我觉得这是很正常的,因为最终取得大成就的毕竟是少数人,不可能每一个进入这个领域的人都能取得重大成果,所以有一部分人最后感觉到比较烦恼,我觉得是很正常的。

  但是,从我参与到粒子物理研究这30年来看,我也参与到一些重大发现的时刻。所以科学发现不会停止的,而你会参与到那些重大成果的研究中去?这得看你自己的人生道路的选择,研究的课题,选择的导师等等,这些都有很多不确定因素。但是你进入这个领域进行研究,首先并不是单纯为了只取得重大成功,而是要喜欢它,喜欢你研究的领域,如果你有好奇心,那你就会不计得失的,你自然会去做的。

  因此有成果当然很好,没有成果你也很开心。

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