王貽芳、陸錦標(biāo)兩位科學(xué)家獲得2019未來科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”。他們實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式,為解釋宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱性提供了可能。頒獎(jiǎng)典禮上,王貽芳宣布捐出全部50萬美元獎(jiǎng)金,建立“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)促進(jìn)基金”。他同時(shí)對(duì)曾受爭(zhēng)議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)予以回應(yīng),表示這個(gè)對(duì)撞機(jī)的科學(xué)目標(biāo)就是要研究希格斯粒子的性質(zhì),現(xiàn)在是推動(dòng)對(duì)撞機(jī)建設(shè)的最好時(shí)機(jī)。
11月17日,在未來科學(xué)大獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邎?bào)告會(huì)和采訪環(huán)節(jié),中國科學(xué)院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳介紹了江門中微子實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展。對(duì)曾受爭(zhēng)議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC),他表示,現(xiàn)在是推動(dòng)對(duì)撞機(jī)建設(shè)的最好時(shí)機(jī),這個(gè)時(shí)間窗口不會(huì)超過10年。
新發(fā)現(xiàn)有助于理解反物質(zhì)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(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)成果入選美國《科學(xué)》雜志2012年全球十大科學(xué)突破,獲2016年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
中微子是構(gòu)成物質(zhì)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(yīng)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(shí),在第一秒鐘內(nèi)就產(chǎn)生了無數(shù)的中微子。但中微子幾乎不跟任何物質(zhì)發(fā)生作用,不容易被捕捉到。
一種中微子在飛行過程中變?yōu)榱硪环N中微子,然后再變回來,就是中微子振蕩。捕捉中微子的振蕩模式,有可能讓科學(xué)家了解宇宙的演化及其中的結(jié)構(gòu)如何形成等問題。
本世紀(jì)初,日本與加拿大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已知三種中微子之間的兩種相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象(振蕩),標(biāo)志中微子具有不為零的質(zhì)量,也存在超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的相互作用,因而獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
王貽芳和團(tuán)隊(duì)將中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)在大亞灣核電站。大亞灣核電基地為實(shí)驗(yàn)提供了豐富的中微子源。這里緊鄰高山,可以為地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽宇宙射線干擾。
但是開挖地下實(shí)驗(yàn)室并不容易,需要解決大量技術(shù)難題。王貽芳舉例說,在距核反應(yīng)堆很近的地方進(jìn)行爆破,是實(shí)驗(yàn)當(dāng)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(yīng)堆的約3000次爆破作業(yè),建成了地下實(shí)驗(yàn)室。”
2012年3月,王貽芳和陸錦標(biāo)代表大亞灣國際合作組宣布首次探測(cè)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(zhì)消失之謎的大門。
開展江門中微子實(shí)驗(yàn),明年安裝探測(cè)器
大亞灣實(shí)驗(yàn)完成后,王貽芳帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)馬不停蹄投入下一個(gè)中微子實(shí)驗(yàn)——江門中微子實(shí)驗(yàn)。2015年,江門實(shí)驗(yàn)開始建設(shè)。
“實(shí)驗(yàn)將探測(cè)中微子的質(zhì)量順序,精確測(cè)量中微子混合參數(shù),精度將提高一個(gè)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)還會(huì)研究太陽中微子、超新星中微子、地球中微子、質(zhì)子衰變等。”王貽芳介紹實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)說,這些將對(duì)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(shí)驗(yàn)合作組的規(guī)模比大亞灣實(shí)驗(yàn)大三倍,目前即將完成土建,2020年將開始安裝探測(cè)器,計(jì)劃2030年進(jìn)行升級(jí)。
“江門中微子實(shí)驗(yàn)將取得重大成果”,對(duì)于中微子研究,王貽芳非常樂觀,“中國技術(shù)能力已經(jīng)走入國際第一方陣,10年內(nèi)中微子振蕩、20年內(nèi)中微子質(zhì)量、30年內(nèi)無中微子雙β衰變等問題都能得到解決。”
力主建設(shè)中國的“希格斯粒子工廠”
近幾年,王貽芳的名字更多和環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)出現(xiàn)在一起。
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)計(jì)劃是中國高能物理學(xué)家2012年提出的,旨在高能物理領(lǐng)域探索和理解希格斯粒子性質(zhì)、宇宙早期演化、尋找暗物質(zhì)等未解的關(guān)鍵科學(xué)問題,尋找新的物理規(guī)律。
對(duì)撞機(jī)是一種特殊的粒子加速器,它能把電子、質(zhì)子等加速到空前的高能量,使它們進(jìn)行對(duì)撞,分析撞擊結(jié)果可以研究物質(zhì)基本組成及結(jié)構(gòu)。目前世界上能量最高的加速器是歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC),其周長(zhǎng)達(dá)到了27千米。中國要規(guī)劃建設(shè)的能量更高的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)周長(zhǎng)設(shè)計(jì)為100千米,將產(chǎn)生大量希格斯粒子,成為中國的“希格斯粒子工廠”。
王貽芳認(rèn)為,建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將是中國引領(lǐng)世界基礎(chǔ)物理研究最好的機(jī)會(huì)。他介紹說,目前粒子物理研究有兩個(gè)最重要的熱點(diǎn),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(xué)家?guī)砹讼喈?dāng)?shù)睦Щ?,目前在理論和?shí)驗(yàn)上都有證據(jù),證明有超出標(biāo)準(zhǔn)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,最后要靠實(shí)驗(yàn)成果說話。在中微子和希格斯粒子兩個(gè)方向同時(shí)發(fā)力,是我們應(yīng)該做的。”
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的科學(xué)目標(biāo)就是要研究希格斯粒子的性質(zhì)。王貽芳說,在國際競(jìng)爭(zhēng)方面,歐洲、美國、日本等都有正在進(jìn)行的其他項(xiàng)目,暫時(shí)無暇做“希格斯粒子工廠”,使中國有可能在時(shí)間上取勝。另外,中國有這方面的技術(shù)積累也是一大優(yōu)勢(shì)。“綜合各方面來看,這是我們推動(dòng)CEPC最好的時(shí)機(jī)。這個(gè)時(shí)間窗口不會(huì)超過10年,所以應(yīng)該抓住。”
■ 回應(yīng)質(zhì)疑
“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)不會(huì)擠占其他學(xué)科經(jīng)費(fèi)”
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建造曾經(jīng)遭遇質(zhì)疑。2016年,著名物理學(xué)家楊振寧公開反對(duì)中國建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),其中一個(gè)原因就是需要大量花費(fèi),是個(gè)無底洞。也有人擔(dān)心,對(duì)它投入過多會(huì)擠壓其他學(xué)科經(jīng)費(fèi)。
“對(duì)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),大家現(xiàn)在可能還看不清楚需求,就像20年前很難想象為什么要做一個(gè)20億的江門中微子實(shí)驗(yàn)?10年前推動(dòng)50億的懷柔高能同步輻射光源時(shí)也很艱難。10年到20年后,大家會(huì)認(rèn)識(shí)到,我們需要有環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)這樣的有重大科學(xué)意義、社會(huì)意義、技術(shù)發(fā)展意義的大科學(xué)裝置。”
王貽芳表示,環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目第一階段的預(yù)算為360億元人民幣,推進(jìn)項(xiàng)目納入“十四五”規(guī)劃是目前努力的方向之一。
“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建設(shè)要10年時(shí)間,它不會(huì)擠占任何人的經(jīng)費(fèi),即使由國家投入,也不會(huì)使不同學(xué)科投入有畸形比例,相反會(huì)把基礎(chǔ)科學(xué)對(duì)不同學(xué)科投入比例帶到更加正常的范圍。”王貽芳解釋說,“360億聽起來很多,但它是全中國所有粒子物理學(xué)家10年的經(jīng)費(fèi)。從總經(jīng)費(fèi)來說,我們沒有改變不同領(lǐng)域和學(xué)科的比例。”
他認(rèn)為,目前國家對(duì)科研的投入仍需加強(qiáng),“一方面基礎(chǔ)科學(xué)總投入太少,占研究與實(shí)驗(yàn)發(fā)展經(jīng)費(fèi)的比例應(yīng)該在10%-15%,國際上15%,我國只有5%,短期內(nèi)有一倍的增長(zhǎng)空間是合適的。在5%的基礎(chǔ)科學(xué)研究中,目前我國對(duì)大科學(xué)投入偏少,特別是對(duì)基礎(chǔ)物理和核物理投入偏少、比例偏低。在我國大部分大學(xué)中,粒子物理、核物理、天體物理能占到10%就不錯(cuò)了,國外研究型大學(xué)一般占到30%。”
11月17日,在未來科學(xué)大獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邎?bào)告會(huì)和采訪環(huán)節(jié),中國科學(xué)院院士、中科院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳介紹了江門中微子實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展。對(duì)曾受爭(zhēng)議的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC),他表示,現(xiàn)在是推動(dòng)對(duì)撞機(jī)建設(shè)的最好時(shí)機(jī),這個(gè)時(shí)間窗口不會(huì)超過10年。
新發(fā)現(xiàn)有助于理解反物質(zhì)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(fā)現(xiàn)。這項(xiàng)成果入選美國《科學(xué)》雜志2012年全球十大科學(xué)突破,獲2016年度國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。
中微子是構(gòu)成物質(zhì)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(yīng)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(shí),在第一秒鐘內(nèi)就產(chǎn)生了無數(shù)的中微子。但中微子幾乎不跟任何物質(zhì)發(fā)生作用,不容易被捕捉到。
一種中微子在飛行過程中變?yōu)榱硪环N中微子,然后再變回來,就是中微子振蕩。捕捉中微子的振蕩模式,有可能讓科學(xué)家了解宇宙的演化及其中的結(jié)構(gòu)如何形成等問題。
本世紀(jì)初,日本與加拿大的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)已知三種中微子之間的兩種相互轉(zhuǎn)化現(xiàn)象(振蕩),標(biāo)志中微子具有不為零的質(zhì)量,也存在超出當(dāng)前粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的相互作用,因而獲得2015年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
王貽芳和團(tuán)隊(duì)將中微子探測(cè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)在大亞灣核電站。大亞灣核電基地為實(shí)驗(yàn)提供了豐富的中微子源。這里緊鄰高山,可以為地下實(shí)驗(yàn)室屏蔽宇宙射線干擾。
但是開挖地下實(shí)驗(yàn)室并不容易,需要解決大量技術(shù)難題。王貽芳舉例說,在距核反應(yīng)堆很近的地方進(jìn)行爆破,是實(shí)驗(yàn)當(dāng)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(yīng)堆的約3000次爆破作業(yè),建成了地下實(shí)驗(yàn)室。”
2012年3月,王貽芳和陸錦標(biāo)代表大亞灣國際合作組宣布首次探測(cè)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(zhì)消失之謎的大門。
開展江門中微子實(shí)驗(yàn),明年安裝探測(cè)器
大亞灣實(shí)驗(yàn)完成后,王貽芳帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)馬不停蹄投入下一個(gè)中微子實(shí)驗(yàn)——江門中微子實(shí)驗(yàn)。2015年,江門實(shí)驗(yàn)開始建設(shè)。
“實(shí)驗(yàn)將探測(cè)中微子的質(zhì)量順序,精確測(cè)量中微子混合參數(shù),精度將提高一個(gè)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)還會(huì)研究太陽中微子、超新星中微子、地球中微子、質(zhì)子衰變等。”王貽芳介紹實(shí)驗(yàn)的科學(xué)目標(biāo)說,這些將對(duì)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(shí)驗(yàn)合作組的規(guī)模比大亞灣實(shí)驗(yàn)大三倍,目前即將完成土建,2020年將開始安裝探測(cè)器,計(jì)劃2030年進(jìn)行升級(jí)。
“江門中微子實(shí)驗(yàn)將取得重大成果”,對(duì)于中微子研究,王貽芳非常樂觀,“中國技術(shù)能力已經(jīng)走入國際第一方陣,10年內(nèi)中微子振蕩、20年內(nèi)中微子質(zhì)量、30年內(nèi)無中微子雙β衰變等問題都能得到解決。”
力主建設(shè)中國的“希格斯粒子工廠”
近幾年,王貽芳的名字更多和環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(CEPC)出現(xiàn)在一起。
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)計(jì)劃是中國高能物理學(xué)家2012年提出的,旨在高能物理領(lǐng)域探索和理解希格斯粒子性質(zhì)、宇宙早期演化、尋找暗物質(zhì)等未解的關(guān)鍵科學(xué)問題,尋找新的物理規(guī)律。
對(duì)撞機(jī)是一種特殊的粒子加速器,它能把電子、質(zhì)子等加速到空前的高能量,使它們進(jìn)行對(duì)撞,分析撞擊結(jié)果可以研究物質(zhì)基本組成及結(jié)構(gòu)。目前世界上能量最高的加速器是歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC),其周長(zhǎng)達(dá)到了27千米。中國要規(guī)劃建設(shè)的能量更高的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)周長(zhǎng)設(shè)計(jì)為100千米,將產(chǎn)生大量希格斯粒子,成為中國的“希格斯粒子工廠”。
王貽芳認(rèn)為,建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)將是中國引領(lǐng)世界基礎(chǔ)物理研究最好的機(jī)會(huì)。他介紹說,目前粒子物理研究有兩個(gè)最重要的熱點(diǎn),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(xué)家?guī)砹讼喈?dāng)?shù)睦Щ?,目前在理論和?shí)驗(yàn)上都有證據(jù),證明有超出標(biāo)準(zhǔn)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,最后要靠實(shí)驗(yàn)成果說話。在中微子和希格斯粒子兩個(gè)方向同時(shí)發(fā)力,是我們應(yīng)該做的。”
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的科學(xué)目標(biāo)就是要研究希格斯粒子的性質(zhì)。王貽芳說,在國際競(jìng)爭(zhēng)方面,歐洲、美國、日本等都有正在進(jìn)行的其他項(xiàng)目,暫時(shí)無暇做“希格斯粒子工廠”,使中國有可能在時(shí)間上取勝。另外,中國有這方面的技術(shù)積累也是一大優(yōu)勢(shì)。“綜合各方面來看,這是我們推動(dòng)CEPC最好的時(shí)機(jī)。這個(gè)時(shí)間窗口不會(huì)超過10年,所以應(yīng)該抓住。”
■ 回應(yīng)質(zhì)疑
“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)不會(huì)擠占其他學(xué)科經(jīng)費(fèi)”
環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的建造曾經(jīng)遭遇質(zhì)疑。2016年,著名物理學(xué)家楊振寧公開反對(duì)中國建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),其中一個(gè)原因就是需要大量花費(fèi),是個(gè)無底洞。也有人擔(dān)心,對(duì)它投入過多會(huì)擠壓其他學(xué)科經(jīng)費(fèi)。
“對(duì)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī),大家現(xiàn)在可能還看不清楚需求,就像20年前很難想象為什么要做一個(gè)20億的江門中微子實(shí)驗(yàn)?10年前推動(dòng)50億的懷柔高能同步輻射光源時(shí)也很艱難。10年到20年后,大家會(huì)認(rèn)識(shí)到,我們需要有環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)這樣的有重大科學(xué)意義、社會(huì)意義、技術(shù)發(fā)展意義的大科學(xué)裝置。”
王貽芳表示,環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目第一階段的預(yù)算為360億元人民幣,推進(jìn)項(xiàng)目納入“十四五”規(guī)劃是目前努力的方向之一。
“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)建設(shè)要10年時(shí)間,它不會(huì)擠占任何人的經(jīng)費(fèi),即使由國家投入,也不會(huì)使不同學(xué)科投入有畸形比例,相反會(huì)把基礎(chǔ)科學(xué)對(duì)不同學(xué)科投入比例帶到更加正常的范圍。”王貽芳解釋說,“360億聽起來很多,但它是全中國所有粒子物理學(xué)家10年的經(jīng)費(fèi)。從總經(jīng)費(fèi)來說,我們沒有改變不同領(lǐng)域和學(xué)科的比例。”
他認(rèn)為,目前國家對(duì)科研的投入仍需加強(qiáng),“一方面基礎(chǔ)科學(xué)總投入太少,占研究與實(shí)驗(yàn)發(fā)展經(jīng)費(fèi)的比例應(yīng)該在10%-15%,國際上15%,我國只有5%,短期內(nèi)有一倍的增長(zhǎng)空間是合適的。在5%的基礎(chǔ)科學(xué)研究中,目前我國對(duì)大科學(xué)投入偏少,特別是對(duì)基礎(chǔ)物理和核物理投入偏少、比例偏低。在我國大部分大學(xué)中,粒子物理、核物理、天體物理能占到10%就不錯(cuò)了,國外研究型大學(xué)一般占到30%。”