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粒子科学-由王贻芳提出的江门中微子实验正处在建设阶段-南京新闻频道

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1930年,著名科學家沃爾夫岡·泡利為了解決微觀世界的能量和動量不守恆問題提出了「中微子」的概念;過了26年即1956年,美國科學家萊因斯在實驗中發現了中微子,並因此獲得了諾貝爾獎;1987年,日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。

王貽芳稱,在推動江門中微子實驗建設的過程中,遇到了種種困難,比如光電倍增管,他們團隊就花了8年的時間才得到達標的樣管。

王貽芳稱,在江門中微子實驗中,他還希望尋找一種叫做「無中微子雙β衰變」的全新衰變,它將能確定反中微子到底是中微子自己本身,還是中微子、反中微子是不一樣的粒子。這在粒子物理學當中是一個非常重要的研究目標。

為什麼要做CEPC?王貽芳稱,CEPC的想法在國際上得到了很好的認可,也被認為是粒子物理未來發展的首選。而對中國來說,這也是一個理想選擇,是中國能夠引領世界基礎物理研究最好的機會。

目前,由王貽芳提出的江門中微子實驗正處在建設階段,計劃於2021年左右完成建設,這也是中國主持的第二個大型中微子實驗。除此之外,推動CEPC的建設工作,也是王貽芳的一項重要工作。

「而CEPC就是一個最核心、最難的問題,敢不敢做,將決定中國未來科學發展能否走到舞台中央。」王貽芳說。

2012年,王貽芳團隊通過大亞灣中微子實驗發現了一種新的中微子振蕩模式,該成果入選美國《科學》雜誌2012年全球十大科學突破,並獲得了2016年度國家自然科學一等獎。

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;

同時,整個業界已經完成了粒子物理標準模型的建立,所有粒子也都被發現了,這意味着即便中國要建設大型的基礎設施,也需要尋找一個超出標準模型的新物理體系。

在他看來,現在中國科學界需要回答的核心基本問題,就是中國的科學家有沒有勇氣、能力,以及社會和公眾的支持,來做未來科學發展最重要、最核心的問題。

王貽芳還表示,科學的發展從早期的手眼並用,到後來實驗桌上的顯微鏡,再到大型的空間望遠鏡、地面大型加速器,這是一個不可避免的發展趨勢。「我們研究的對象,要麼越來越大,要麼越來越小,這都是我們人力極難觸及的,所以要藉助儀器。未來的發展,誰有能力建設這些設備,誰最終就能成為世界的領導者。」

而目前正在建設的江門中微子實驗,是王貽芳在2008年大亞灣實驗完成之前就提出來的,該實驗的目的是研究中微子的質量順序、精確測量中微子的振蕩參數,同時也將研究大氣中微子、太陽中微子、超新星中微子、地球中微子等。

第三,國際上很多的競爭對手,如歐洲、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;

除此之外,王貽芳還認為CEPC可以幫助中國在精密機械、微波、真空、自動控制、數據獲取與處理,計算機與網絡通訊等技術方面領先國際,可以培養上千名頂尖的物理學家和工程師,引進上千名國際頂尖的科學家和工程師,形成一個國際化的科學中心。

對於該項目可能出現的推后情況,王貽芳告訴記者,一個項目的推動依賴於很多方面,2012年提出這個計劃時,規劃的是2022年開建,留下的準備時間是10年左右。

現在中國科學界需要回答的核心基本問題,就是中國的科學家有沒有勇氣、能力,以及社會和公眾的支持,來做未來科學發展最重要、最核心的問題。

在發現三種中微子之後,1988年,日本超級神岡實驗發現了大氣中微子振蕩,2002年,加拿大的SNO實驗發現太陽中微子振蕩,而這兩個實驗由於發現中微子振蕩均獲得了諾貝爾獎。

「至於1000億是怎麼來的,可能是有些人把項目的第二階段也算了進去,」王貽芳接著說道,「環形正負電子對撞機完成之後,它有個100公里的隧道,我們不希望這個隧道被浪費掉,所以提出了一些其他的可能性,比如這個隧道可以用來做質子對撞機,也可以做重離子對撞機等。」

為此,江門中微子實驗的建設難度也大大提升。據王貽芳介紹,為了實現上述科學目標,需要建設一個大探測器,而這個探測器需要2萬噸的液體閃爍體。

「這兩個條件缺一不可,少了一個都不會有第二階段。而如果滿足這兩個條件有了重大技術突破,比如高溫超導,那它對社會的貢獻就不是百億、千億,而是萬億以上了。」王貽芳說。

已經有了大亞灣中微子實驗,江門中微子實驗也正在建設,但王貽芳仍然覺得不夠,他坦言,整體來看,中國的高能物理髮展跟其他一些國家相比仍有很大的差距,核心還是體現在基礎設施不足。

但目前來看,整個江門中微子實驗的進展都非常順利。王貽芳告訴記者,「等江門中微子實驗完成建設開始運行以後,我們相信會取得非常重要的成果,它也會在國際的中微子發展當中成為一個非常主要的研究基地。」

但是,只有環形正負電子對撞機是正在規劃要做的,而上面提到的CEPC完成後的計劃是否展開還不一定。王貽芳稱,如果要做這些後續計劃,需要滿足兩個重要的前提條件:第一,這個裝置有重大的科學發現;第二,關鍵的技術要有突破。

「對於CEPC,我們正在繼續設計和進行關鍵設備的預研工作。原來的計劃是2022年開建,但按現在的情況來看,提前是絕對不可能了,推后倒是有很大的可能性。」11月3日上午,中國科學院院士、高能物理學家王貽芳在接受21世紀經濟報道等媒體的採訪時表示。

相比於此前的大亞灣中微子實驗和正在建設的江門中微子實驗,CEPC無論從規模還是資金投入上都要大很多。正因如此,CEPC的項目引發了很大的爭論,很多人對該項目提出了反對和質疑,其中最為人熟知的反對者便是楊振寧。

「剛才提到的大亞灣實驗里液體閃爍體只有20噸,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。」王貽芳說。

針對項目資金,王貽芳在採訪時特意強調,「看到很多報道說這個項目需要上千億,我需要再次澄清一下,經過我們兩次估算的結果,這個項目只需要360億元。」

正是在這樣的背景下,王貽芳提出了建設大型環形正負電子對撞機的方案。

「到現在為止,我們基本是在按計劃推進,當時定的10年任務,現在離2022年還有3年,實事求是講,還有很多準備工作沒有完成,所以感覺還需要更多的時間,而這個也取決於國家未來『十四五』計劃和其它大的計劃的執行情況。」王貽芳說。

所以在過去多年間,每當王貽芳出現在公眾場合談論CEPC項目時,被問的最多問題便是「CEPC有沒有用?有什麼用?」對於這些問題,王貽芳已經回答了不知多少遍,但他依然每次都會說,他希望通過自己的不斷科普,能讓更多人了解CEPC的價值。

第四,環形正負電子對撞機剛好是中國會做的,北京正負電子對撞機已經積累了30年的研究經驗。

CEPC,即環形正負電子對撞機,這是由中國高能物理學家們於2012年提出的一個世界級高能粒子大型加速器項目,而王貽芳是該項目的主要推動者。

王貽芳專註于高能物理領域的研究,曾領導完成北京正負電子對撞機上的北京譜儀(BESIII)的設計、研製、運行和物理研究,同時,他還開創了我國中微子實驗研究,提出了大亞灣中微子實驗方案並率領團隊完成了實驗的設計、研製、運行和物理研究。

那麼除了基礎科學的研究,CEP能帶來哪些實際的好處呢?王貽芳在多年前就曾給出回答,他認為CEPC可以使中國至少在以下技術方面實現國產化:1、高性能超導高頻腔,可應用於幾乎所有加速器;2、高效率、大功率微波功率源,可應用於雷達、廣播、通訊、加速器等;3、大型低溫制冷機,可應用於科研設施、火箭發動機、醫療設備等;4、高速、抗輻照硅探測器、電子線路與芯片等。

這巨大的規模跨度同時也帶來了高額的資金投入,而關於投入的問題,也是外界質疑CEPC的一個重要焦點。

王貽芳說,到了2002年的時候,科學家們已經發現了兩種中微子振蕩,但從物理角度來說,三種中微子應該有三種振蕩。所以他們從2003年提出實驗,開始推動大亞灣中微子實驗建設,最終於2012年得到結果,發現了第三種中微子振蕩。

與此同時,該實驗還需要把探測器的光收集提高5倍,這比過去也有了一個巨大的提升。為此,王貽芳團隊需要把探測器液體的透明度提高近2倍,同時要把探測光子的光電倍增管的探測效率提升2倍。

中微子的探索之路在11月3日下午召開的2019騰訊科學WE大會上,王貽芳表示,中微子在整個物理學當中起着非常重要的作用。在構成物質世界的12個最基本的粒子中,中微子佔了其中的三種,所以說中微子是構成物質世界最基本的單元。

從項目規模來看,CEPC一旦實施,將是中國基礎科研的一個重大跨越,可對比的是,北京正負電子對撞機的周長是240米,而CEPC的周長將達到100公里。

對此,王貽芳也給出了他的四點理由:

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