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2019未來科學大獎“物質科學獎”獲得者中科院院士王貽芳:捐50萬美元獎金助力大型對撞機建設
2019-11-19 07:30:29 來源: 新京報
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11月17日,王貽芳在2019未來科學大獎頒獎典禮上發言。未來論壇供圖

  捐50萬美元獎金助力大型對撞機建設

  王貽芳、陸錦標兩位科學家獲得2019未來科學大獎“物質科學獎”。他們實驗發現了第三種中微子振蕩模式,為解釋宇宙中物質與反物質不對稱性提供了可能。頒獎典禮上,王貽芳宣布捐出全部50萬美元獎金,建立“環形正負電子對撞機促進基金”。他同時對曾受爭議的環形正負電子對撞機予以回應,表示這個對撞機的科學目標就是要研究希格斯粒子的性質,現在是推動對撞機建設的最好時機。

  11月17日,在未來科學大獎獲獎者報告會和採訪環節,中國科學院院士、中科院高能物理研究所所長王貽芳介紹了江門中微子實驗的最新進展。對曾受爭議的環形正負電子對撞機(CEPC),他表示,現在是推動對撞機建設的最好時機,這個時間窗口不會超過10年。

  新發現有助于理解反物質消失之謎

  王貽芳的名字首次走入大眾視野,源于“新的中微子振蕩模式”的發現。這項成果入選美國《科學》雜志2012年全球十大科學突破,獲2016年度國家自然科學一等獎。

  中微子是構成物質世界的12種基本粒子之三(電子中微子、μ中微子和τ中微子),是在核衰變與核反應中釋放的具有極其微弱相互作用的基本粒子。宇宙大爆炸時,在第一秒鐘內就産生了無數的中微子。但中微子幾乎不跟任何物質發生作用,不容易被捕捉到。

  一種中微子在飛行過程中變為另一種中微子,然後再變回來,就是中微子振蕩。捕捉中微子的振蕩模式,有可能讓科學家了解宇宙的演化及其中的結構如何形成等問題。

  本世紀初,日本與加拿大的科學家發現已知三種中微子之間的兩種相互轉化現象(振蕩),標志中微子具有不為零的質量,也存在超出當前粒子物理標準模型的相互作用,因而獲得2015年的諾貝爾物理學獎。

  王貽芳和團隊將中微子探測實驗室設在大亞灣核電站。大亞灣核電基地為實驗提供了豐富的中微子源。這裏緊鄰高山,可以為地下實驗室屏蔽宇宙射線幹擾。

  但是開挖地下實驗室並不容易,需要解決大量技術難題。王貽芳舉例説,在距核反應堆很近的地方進行爆破,是實驗當中遇到的巨大困難。“最終我們克服重重困難,安全完成了鄰近核反應堆的約3000次爆破作業,建成了地下實驗室。”

  2012年3月,王貽芳和陸錦標代表大亞灣國際合作組宣布首次探測到中微子的第三種振蕩模式。第三種中微子振蕩的確立,打開了理解反物質消失之謎的大門。

  開展江門中微子實驗,明年安裝探測器

  大亞灣實驗完成後,王貽芳帶領團隊馬不停蹄投入下一個中微子實驗——江門中微子實驗。2015年,江門實驗開始建設。

  “實驗將探測中微子的質量順序,精確測量中微子混合參數,精度將提高一個量級。實驗還會研究太陽中微子、超新星中微子、地球中微子、質子衰變等。”王貽芳介紹實驗的科學目標説,這些將對粒子物理、地球起源研究、天體物理研究等具有重要意義。

  他透露,江門中微子實驗合作組的規模比大亞灣實驗大三倍,目前即將完成土建,2020年將開始安裝探測器,計劃2030年進行升級。

  “江門中微子實驗將取得重大成果”,對于中微子研究,王貽芳非常樂觀,“中國技術能力已經走入國際第一方陣,10年內中微子振蕩、20年內中微子質量、30年內無中微子雙β衰變等問題都能得到解決。”

  力主建設中國的“希格斯粒子工廠”

  近幾年,王貽芳的名字更多和環形正負電子對撞機(CEPC)出現在一起。

  環形正負電子對撞機計劃是中國高能物理學家2012年提出的,旨在高能物理領域探索和理解希格斯粒子性質、宇宙早期演化、尋找暗物質等未解的關鍵科學問題,尋找新的物理規律。

  對撞機是一種特殊的粒子加速器,它能把電子、質子等加速到空前的高能量,使它們進行對撞,分析撞擊結果可以研究物質基本組成及結構。目前世界上能量最高的加速器是歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC),其周長達到了27千米。中國要規劃建設的能量更高的環形正負電子對撞機周長設計為100千米,將産生大量希格斯粒子,成為中國的“希格斯粒子工廠”。

  王貽芳認為,建設環形正負電子對撞機將是中國引領世界基礎物理研究最好的機會。他介紹説,目前粒子物理研究有兩個最重要的熱點,一是中微子,一是希格斯粒子。兩種粒子都存在未解之謎,給科學家帶來了相當的困惑,目前在理論和實驗上都有證據,證明有超出標準模型的新物理,下一步要努力找到窗口解決令人困惑的新物理。“各國都在尋找各種方案,最後要靠實驗成果説話。在中微子和希格斯粒子兩個方向同時發力,是我們應該做的。”

  環形正負電子對撞機的科學目標就是要研究希格斯粒子的性質。王貽芳説,在國際競爭方面,歐洲、美國、日本等都有正在進行的其他項目,暫時無暇做“希格斯粒子工廠”,使中國有可能在時間上取勝。另外,中國有這方面的技術積累也是一大優勢。“綜合各方面來看,這是我們推動CEPC最好的時機。這個時間窗口不會超過10年,所以應該抓住。”

  ■ 回應質疑

  “環形正負電子對撞機不會擠佔其他學科經費”

  環形正負電子對撞機的建造曾經遭遇質疑。2016年,著名物理學家楊振寧公開反對中國建造環形正負電子對撞機,其中一個原因就是需要大量花費,是個無底洞。也有人擔心,對它投入過多會擠壓其他學科經費。

  “對環形正負電子對撞機,大家現在可能還看不清楚需求,就像20年前很難想象為什麼要做一個20億的江門中微子實驗?10年前推動50億的懷柔高能同步輻射光源時也很艱難。10年到20年後,大家會認識到,我們需要有環形正負電子對撞機這樣的有重大科學意義、社會意義、技術發展意義的大科學裝置。”

  王貽芳表示,環形正負電子對撞機項目第一階段的預算為360億元人民幣,推進項目納入“十四五”規劃是目前努力的方向之一。

  “環形正負電子對撞機建設要10年時間,它不會擠佔任何人的經費,即使由國家投入,也不會使不同學科投入有畸形比例,相反會把基礎科學對不同學科投入比例帶到更加正常的范圍。”王貽芳解釋説,“360億聽起來很多,但它是全中國所有粒子物理學家10年的經費。從總經費來説,我們沒有改變不同領域和學科的比例。”

  他認為,目前國家對科研的投入仍需加強,“一方面基礎科學總投入太少,佔研究與實驗發展經費的比例應該在10%-15%,國際上15%,我國只有5%,短期內有一倍的增長空間是合適的。在5%的基礎科學研究中,目前我國對大科學投入偏少,特別是對基礎物理和核物理投入偏少、比例偏低。在我國大部分大學中,粒子物理、核物理、天體物理能佔到10%就不錯了,國外研究型大學一般佔到30%。”

  ■ 人物簡介

  王貽芳 高能物理學家,中國科學院院士,中國科學院高能物理研究所所長。長期從事高能物理實驗研究,領導完成了北京正負電子對撞機上的北京譜儀III(BESIII)設計、研制、運行和前期物理研究,技術上達到國際先進水平並發現了一係列新粒子和新現象,在輕強子譜和粲物理研究方面處于國際領先地位。提出大亞灣中微子實驗方案並率領團隊完成了實驗設計、研制、運行和物理研究,發現了一種新的中微子振蕩模式。

  【聲音】

  科學研究都是由好奇心驅動,否則遇到困難時容易繞著走。只有對科學有真正追求和熱愛,才能面對和克服困難。

  建造環形正負電子對撞機需要電子、超導、磁鐵、芯片等二三十種門類的技術,這些技術已經有過去30年的積累,但仍需大步跨越。在此過程中,要平衡風險和創新的關係。跨越大了做不成,相反創新不夠大,錢也白花了。  ——王貽芳

  新京報記者 張璐

 

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