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王贻芳:对撞机能为我们撞出什么

2021-11-18 10:39     来源:学习时报     北京正负电子对撞机高能物理对撞机
王贻芳,中国科学院院士,中国科学院高能物理研究所所长。他长期从事高能物理实验研究,是北京正负电子对撞机北京谱仪的设计、建造及前期研究的领导者,同时也是大亚湾中微子实验和江门中微子实验的提出者和领导者。他率领大亚湾反应堆中微子实验团队,在国际上首次发现一种新的中微子振荡模式,并精确测量了振荡幅度,这一成果被世界权威学术期刊《科学》杂志评为“2012年十大科学进展”。他还获得了“基础物理学突破奖”,是首位获得该奖的中国科学家。


 

人类探索微观世界的努力从未停止过,现代大型加速器和对撞机的建造和加入,加快了微观世界的探索进程和研究成效。物质世界是由一些微观粒子组成的,比如大家熟知的原子就是其中之一,但是随着研究的深入,科学家们发现,原子还可以继续拆分成更小的质子、中子和电子。更令人惊讶的是,这还不是认识微观世界的终点。因为,科学家又发现了数以百计的不是由质子、中子和电子组成的新粒子,而且发现质子、中子等粒子本身还有复杂的内部结构。这些全新发现,在没有加速器和对撞机这样的大科学装置之前是难以完成的。不断深入的微观粒子研究到底有什么用?1988年10月24日,中国第一台高能加速器——北京正负电子对撞机建成,这是我国第一个大科学装置。凭借这一“国之重器”,我国成功跻身当时的世界八大高能物理实验研究中心,跃上了世界科技前沿大舞台。

深入微观世界需要高能利器

在20世纪之前,人类对于世界运行规律的认知,几乎都只停留在宏观物体和现象上。然而在19世纪最后几年,从伦琴发现了X射线、J.J.汤姆逊发现了电子、卢瑟福发现了α射线和β射线等实验开始,物理学家们这才渐渐打开一扇神奇的微观世界的大门。为了更好地观察这些连显微镜都无法观测到的微观粒子,科学家需要可控的粒子束,于是,美国物理学家劳伦斯发明了回旋粒子加速器。这种设备可以将微观粒子加速,并控制粒子的运动方向。经过几代科学家的不断完善,这类粒子加速器逐渐成为粒子物理学家研究微观世界必不可少的利器。但是,早期粒子加速器能量利用率不高,观测效果不佳。于是,科学家们又想出一个办法,将两束粒子直接进行碰撞,由此发明了对撞机,这样可以最大限度地利用粒子加速后的所有能量,观测效果大幅提升。利用加速器和对撞机这样的大科学装置,粒子物理研究不断地刷新着人类对微观世界的认知。

尤其是对撞机等大科学装置出现之后,科学家更是如虎添翼,不断突破人类对微观世界的认知边界。当初,有了对分子、原子等微观粒子的认识,我们人类才有机会掌控巨大的核能,才可能创造出大量全新的材料,发明各种强大的仪器设备。微观粒子中还蕴藏着怎样的秘密?这些看起来十分高冷的研究会不会改变世界和人类的未来?我们还需要有足够的耐心拭目以待。

北京正负电子对撞机撞出一片天地
 


1989年国家邮政局发行了一枚特种邮票,专门纪念科技领域发生的一件大事——北京正负电子对撞机竣工。1988年10月建成的这一大科学装置,究竟为我们撞出了什么?

北京正负电子对撞机在完成对撞以后,取得了非常丰硕的成果。在科学上我们有一些重大的成果:第一个就是把τ轻子的质量给测了出来。τ轻子是最基本的粒子之一,是电子的兄弟,比电子要重一些。它的质量对粒子物理的研究来说是非常重要的一个参数,当时大家测量τ轻子质量有一点偏差。我们北京正负电子对撞机把这个偏差修正了回来,这个修正大约达到了3倍的标准偏差,误差降低了10倍。第二个就是对标准模型预测的希格斯粒子质量做了一个比较大的修正。第三个就是发现了一些新的粒子,2013年发现了一个全新的粒子叫作Zc(3900),它实际上应该是由四个夸克构成的,这是我们第一次看到这一类全新的物质形态,是非常重要的发现。Zc(3900)的发现在国际上有很大的影响,入选了美国物理学会《物理》杂志2013年的国际十一大物理学重要成果之首,中国的高能物理因此在国际上占有了一席之地。

北京正负电子对撞机除了它的科学产出之外,也带动了我们国家的高技术的发展,比如说中国的互联网的引入,电子邮件的引入。移动互联网本身和今天的互联网经济,都非常依赖于当时欧洲核子中心的重大的技术发明。1989年,蒂姆·伯纳斯·李当时在欧洲核子中心的计算中心工作,为了解决物理学家之间需要沟通信息、沟通数据、沟通程序等各种各样的需求,他发明了一个万维网的技术。这个技术在1991年正式对世界发布,欧洲核子中心构建了世界上第一个WWW网站,第一个网页的浏览器。中国的第一个WWW网站,就是由于北京正负电子对撞机的投入,使得我们跟国际上有了最密切、最快速的联系,这种联系最终使得我们能够把最新的技术引到中国来。

北京正负电子对撞机,包括后面2004年开始的一个重大改造工程,一共耗费8.8亿元人民币,计划运行至2030年,前后参与的人数大约有1000多人,一台8.8亿元的设备使用了40年以上,1000多人使用,这应该是一个非常经济的投入。有人认为,高能物理耗资巨大,其实是错误的理解。高能物理的研究模式非常特殊,它在先期需要一个巨大的投入,但是在这之后,它的设备可以长期有效地使用。基础科学研究目前主要依赖于大科学装置,特别是粒子物理的研究,因为它研究的是物质的更深层次的结构,需要用比较短的波长去看它,所以必须要有大科学装置,比如说用加速器去看它,这个研究会产生很多重要的科学成果。那么这些科学成果,因为反映的是物质的最深层次的结构,所以更加基础,反映的是最深层次的这个物质的规律。

下一代对撞机的社会价值

随着科学的发展,科学家们所研究的目标越来越趋向于微观和高精度,因此需要更高能量的粒子。未来,粒子物理研究将向何处发展?还能有什么石破天惊的新发现?世界各国的科学家都在摩拳擦掌,跃跃欲试。“工欲善其事,必先利其器”,更深入的研究离不开更加强大的大科学装置。目前,欧洲大型强子对撞机正在升级改造过程中。而我国科学家也提出了建造下一代环形正负电子对撞机的宏大构想,预计投资高达360亿元人民币,建设周期长达10年。中国提出的环形正负电子对撞机有非常清晰的重要的优点:第一个优点,高亮度。环形对撞机的亮度是直线对撞机的亮度的大约3倍左右。第二个优点,性价比高。环形对撞机可以有两个探测器,也就是说周长100公里的环形的正负电子对撞机和日本的30公里长度的直线对撞机造价是基本一样的,但环形对撞机一年获得的希格斯粒子的数量是直线对撞机的6倍。因为亮度差了3倍,探测器又长了2倍,加起来是6倍,所以,从性价比来看环形对撞机超过直线对撞机大约6倍左右。环形对撞机的隧道可以用于质子对撞,所以可以升级设施,可以复用。第三个优点,环形对撞机是一个多用途的加速器,它可以同时产生高能的同步辐射。它同步辐射的能量和强度很大程度上超过现有专用的同步辐射光源。这个光源在材料科学、工业、科学研究方面有非常重要的应用,所以它是一个多用途的加速器。

历史上对撞机催生了加速器的广泛应用,比如说现在大家手机上用的触摸屏,最早来源于欧洲核子中心。现在医院里广泛使用的核磁共振的设施MRA,来自美国的费米实验室,它解决了重大的超导磁铁技术上的各种问题。欧洲核子中心的真空技术,也为太阳能发电作出了重要贡献。未来中国的科学技术也会给我们带来很多无法估量的社会价值。技术转化跟科学技术的水平密切相关。这里面核心的核心首先是要科学领先,然后技术领先,才能够在别人前面做技术转化。如果科学不领先,自然技术就不领先,就不可能率先实现技术转化。我们高能所也做过一些技术转移转化的工作,最近高能所完成了加速器硼中子俘获治疗的技术,通过它可以辐照癌细胞,治疗各种比较特殊的癌症,比如说弥漫性的癌症,它也是目前最先进的癌症治疗手段之一。

装置有价,贡献无价

科学界认为,基础研究是原始创新的源头、核心技术产生的关键。近代人类社会文明的每一次重大进步都是由基础研究成果所引发的技术进步推动的,而基础研究更是我们科技自立自强的基石。如今探索自然规律的基础研究,其重大发现和突破,越来越多地仰仗大科学装置,它集合了当今世界高新科技成果,承载着人类认识未知世界的智慧与追求,拓展了人类探索未知世界的能力。欧美日等发达国家早在50年前就以巨大的投入建造大科学装置,从而在众多前沿科技领域占得先机,超导磁铁、计算机网络、触摸屏、真空技术等众多先进的技术成果都与之紧密相连。探索自然规律的基础研究,需要各方面的投入,许多成果的形成,需要耗费很长的时间。

大科学装置是一个源头,是创新的利器。我们的感知能力是有限的,要拓展我们的感知能力需要设备,那么科学和技术未来发展的方向使得这样的设备越来越大,能力越来越强。所以大科学装置代表着发展的趋势,而且大科学装置规模宏大,技术门类齐全,它也是各种高新技术的引领。21世纪重大的科学发展成就,包括引力波、中微子、希格斯粒子发现等等,都是依赖于大科学装置,同时它也会助力其他学科的发展。那么社会大众经常会问:值不值得花这么多钱去做?我们为什么要自己去做?我们参加别人的难道不行吗?应该说这样一个大型的科学项目会给我们带来革命性的重大发现和革命性的技术突破,会体现最核心的竞争力,也会推动前沿技术的发展。从经费上来说欧美日都研究过,大型加速器设施的投入产出比,大约是1:3左右,也就是说投入1元收获3元,这个投入本身应该说是值得的。

高能物理是人类文明的标志性成就之一,我们应该追求从一席之地到全面领先。我们有这样的基础,这也是国家发展的需要,中华文明也应该有可以载入史册的重大历史性科学成就。我们看过北京奥运会的开幕式,也看过2012年伦敦奥运会的开幕式。在北京奥运会开幕式上,我们有灿烂的中华文明对世界的贡献,造纸术、文房四宝、活字印刷术,这是我们祖先的功劳。在伦敦奥运会开幕式上,他们展示的是现代科技,原子核、欧洲核子中心、互联网。我在深圳机场看到华为做的广告,他们对上帝粒子(希格斯玻色子)的发现作出了贡献,我们相信环形正负电子对撞机也会使得我们的很多企业能够有机会把类似这样的广告投放到全世界。中国不仅在历史上对人类文明有贡献,在未来也应该对世界文明有重要的新的贡献。

中国核能高质量发展大会

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