王贻芳捐出未来科学大奖奖金 建“上帝粒子工厂”基金

新京报

发布时间:11-1808:04

新京报快讯(记者 张璐)2019未来科学大奖颁奖典礼于11月17日举行,其中“物质科学奖”花落王贻芳、陆锦标两位科学家。他们实验发现第三种中微子振荡模式,为解释宇宙中物质与反物质不对称性提供了可能。

王贻芳、陆锦标获得“物质科学奖”。图/未来科学大奖组委会

在未来科学大奖获奖者报告会和采访环节,中科院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳介绍了江门中微子实验的最新进展,他表示,中微子研究前途光明,10年内中微子振荡、20年内中微子质量、30年内无中微子双β衰变等问题都能得到解决。

他同时对曾受争议的CEPC(环形正负电子对撞机)予以回应,称CEPC的科学目标就是要研究希格斯粒子的性质,现在是推动CEPC建设的最好时机,这个时间窗口不会超过10年。

在颁奖典礼上,王贻芳称将捐出此次大奖的奖金,全部用于建立CEPC基金。据悉,未来科技大奖单项奖金为100万美元,物质科学奖的两位获奖者王贻芳、陆锦标共同获得100万美元。

王贻芳在2019未来科学大奖颁奖典礼上发言。图/未来科学大奖组委会

捕捉“幽灵粒子”振荡模式

今年56岁的王贻芳1984年毕业于南京大学物理系,此后,他师从诺贝尔物理奖获得者丁肇中,在欧洲核子中心开启了科学研究工作的起点。2001年,王贻芳回到祖国,领导完成了北京正负电子对撞机重大改造项目中新北京谱仪的研制。

王贻芳的名字首次走入大众视野,源于“新的中微子振荡模式”的发现。这项成果入选美国《科学》杂志2012年全球十大科学突破,获得2016年度国家自然科学一等奖。

中微子是构成物质世界的12种基本粒子之三(电子中微子、μ中微子和τ中微子),是在核衰变与核反应中释放的具有极其微弱相互作用的基本粒子。宇宙大爆炸时,在第一秒钟内就产生了无数的中微子。但中微子几乎不跟任何物质发生作用,不容易被捕捉到,因此它还有一个别称——“幽灵粒子”。

一种中微子在飞行过程中变为另一种中微子,然后再变回来,就是中微子振荡。捕捉中微子的振荡模式,有可能让科学家了解宇宙的演化及其中的结构如何形成等问题。

本世纪初,日本与加拿大的科学家发现已知三种中微子之间的两种相互转化的现象(振荡),标志中微子具有不为零的质量,也存在超出当前粒子物理标准模型的相互作用,因而获得2015年的诺贝尔物理学奖。

此后,物理学家认为第三种振荡可能非常微弱,甚至不存在。尽管如此,中国、法国、韩国、美国的粒子物理实验家还是提出了实验方案,开展了一场高水平的科学竞赛。

迎难发现第三种振荡模式

“粒子物理实验研究有个特点,我们不仅要设定科学目标、选定技术路线,还要自行设计和研制实验设备。”王贻芳说。

他和团队将中微子探测实验室设在大亚湾核电站。大亚湾核电基地是世界上最大的核反应堆群之一,为实验提供了丰富的中微子源。这里紧邻高山,还可以为地下实验室屏蔽宇宙射线的干扰。

但是开挖地下实验室并不容易,需要解决大量的技术难题。“几乎天天都有受挫经历。”王贻芳举例说,在距核反应堆很近的地方进行爆破,是实验当中遇到的巨大困难。“最终我们克服重重困难,安全完成了邻近核反应堆的约3000次爆破作业,建成了地下实验室。”合作组开展了一系列创新,使得大亚湾中微子实验具有世界最高灵敏度。

“科学研究都是由好奇心驱动,否则遇到困难时容易绕着走。只有对科学有真正追求和热爱,才能面对和克服困难。”他坦言。

2012年3月,王贻芳和陆锦标代表大亚湾国际合作组宣布首次探测到中微子的第三种振荡模式,精确测量了它们由于振荡现象而引起的消失概率。第三种中微子振荡的确立,打开了理解反物质消失之谜的大门。

江门中微子实验 2030年将升级

大亚湾实验完成后,王贻芳带领团队马不停蹄投入下一个中微子实验——江门中微子实验。2015年,江门实验开始建设。

“实验将探测中微子的质量顺序,精确测量中微子混合参数,精度将提高一个量级。实验还会研究太阳中微子、超新星中微子、地球中微子、质子衰变等。”王贻芳介绍实验的科学目标说,这些将对粒子物理、地球起源研究、天体物理研究等具有重要意义。

他透露,江门中微子实验合作组的规模比大亚湾实验大三倍,目前即将完成土建,2020年将开始安装探测器,计划在2030年进行升级。升级方案就是在江门中微子探测器的中间置入一个气球,填充掺入另外一种液体闪烁体(探测中微子的介质),使其变成世界上最好的双β衰变探测器,研究中微子是否是其自身的反粒子。

“江门中微子实验将取得重大成果”,对于中微子研究,王贻芳非常乐观,“中国技术能力已经走入国际第一方阵,10年内中微子振荡、20年内中微子质量、30年内无中微子双β衰变等问题都能得到解决。”

力推中国“上帝粒子”工厂建设

近几年,王贻芳的名字更多和CEPC(环形正负电子对撞机)出现在一起。

CEPC计划是中国高能物理学家于2012年提出的,旨在高能物理领域探索和理解希格斯粒子(上帝粒子)性质、宇宙早期演化、寻找暗物质等未解的关键科学问题,寻找新的物理规律。

对撞机是一种特殊的粒子加速器,它能把电子、质子等加速到空前的高能量,使它们进行对撞,分析撞击的结果可以研究物质的基本组成及结构。目前世界上能量最高的加速器就是欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC,其周长达到了27千米。中国要规划建设的能量更高的CEPC周长设计为100千米,将产生大量希格斯粒子,成为中国的“上帝粒子”工厂。

王贻芳认为,建设CEPC将是中国引领世界基础物理研究最好的机会。

他说,目前粒子物理研究有两个最重要的热点,一是中微子,一是希格斯粒子。两种粒子都存在未解之谜,给科学家带来了相当程度的困惑,目前在理论和实验上都有证据,证明有超出标准模型的新物理,下一步要努力找到窗口解决困惑的新物理。“各国都在寻找各种方案,最后要靠实验成果说话。在中微子和希格斯粒子两个方向同时发力,是我们应该做的。”

CEPC的科学目标就是要研究希格斯粒子的性质。王贻芳说,在国际竞争方面,欧洲、美国、日本等都有正在进行的其他项目,暂时无暇做“希格斯粒子工厂”,使中国有可能在时间上取胜。另外,中国有这方面的技术积累也是一大优势。“综合各方面来看,这是我们推动CEPC最好的时机。这个时间窗口不会超过10年,所以应该抓住。”

他表示,CEPC有发现新物理的巨大可能性,“如果我们看到了新物理的迹象,CEPC还有升级的可能,这在设计方案时就已经考虑到了,将来可以在同一个隧道中做质子加速器。先从电子开始,将来有可能时发展成质子,这是稳妥和激进的平衡。”

“CEPC不会挤占其他学科经费”

CEPC的建造也曾经遭遇质疑。2016年,著名物理学家杨振宁公开反对中国建造CEPC,其中一个原因就是建造CEPC需要大量花费,是个无底洞。也有人担心,对CEPC投入过多会挤压其他学科经费。

“对CEPC,大家现在可能还看不清楚需求,就像20年前很难想象为什么要做一个20亿的江门中微子实验?10年前推动50亿的怀柔高能同步辐射光源时也很艰难。10到20年后,大家会认识到,我们需要有CEPC这样的有重大科学意义、社会意义,技术发展意义的大科学装置。”

王贻芳表示,CEPC项目第一阶段的预算为360亿元人民币,推进项目纳入“十四五”规划是目前努力的方向之一。

他认为,目前国家对科研的投入仍需加强,“一方面基础科学总投入太少,占研究与试验发展经费(R&D)的比例应该在10%-15%左右,国际上15%,我国只有是5%,短期内有一倍的增长空间是合适的。在5%的基础科学研究中,目前我国对大科学投入偏少,特别是对基础物理和核物理投入偏少、比例偏低。在我国大部分大学中,粒子物理、核物理、天体物理能占到 10%就不错了,国外研究型大学一般占到30%。”

“CEPC建设要10年时间,它不会挤占任何人经费,即使由国家投入,也不会使不同学科投入有畸形比例,相反会把基础科学对不同学科投入比例带到更加正常的范围。”王贻芳的话有些耿直,“360亿听起来很多,但它是全中国所有粒子物理学家10年的经费。这是用完全不同方式组织科研活动。从总经费来说,我们没有改变不同领域和学科的比例。”

在未来科学大奖颁奖典礼上,王贻芳表示将捐出此次未来科学大奖的全部奖金,建立“环形正负电子对撞机(CEPC)促进基金”。

技术跨步将平衡风险和创新关系

王贻芳说,建造CEPC需要电子、超导、磁铁、芯片等二三十种门类的技术,这些技术已经有过去30年的积累,但仍需大步跨越。在此过程中,要平衡风险和创新的关系。“跨越大了做不成,相反创新不够大,钱也白花了。”他说,这一方面需要专业水平,一方面需要国际同行的判断和帮助,这也是国际上类似大型科学设施的通用办法。打造国际合作的装置能提高我国和全世界技术人才水平。

“最终有一定风险,但是做大科学项目都有风险评估和控制计划,有万一不成的第二方案,可以通过专业的方式解决这些问题。”

新京报记者 张璐

编辑 丁天 校对 郭利

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